專利名稱：基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光纖傳感器，具體地說是一種光纖折射率傳感器。
背景技術(shù)：
折射率是液體材料的固有屬性之一，是反映液體特性的重要光學(xué)參數(shù)和生化反應(yīng)參數(shù)，因此對折射率的測量研究一直受到人們的重視。傳統(tǒng)的折射率測量通常采用阿貝折射儀、分光計等光學(xué)儀器，設(shè)備體積龐大。光纖折射率傳感器因其體積小、重量輕、抗電磁干擾、抗高溫高壓以及耐腐蝕等優(yōu)點得到了更為廣泛的研究。中國專利文件“一種基于微芯光纖布拉格光柵的折射率傳感器及其制備方法”(公開號CN101832924A)和“一種基于長周期光纖光柵的生物傳感器”(公開號CN2935132)中，公開了利用長短周期光纖光柵實現(xiàn)波長調(diào)制型折射率傳感。中國專利文件“基于強度測量的蘸粘式光纖液體分析方法及其專用分析裝置”(公開號CN101251474)中，利用光纖探頭與待測液體進行周期性地接觸，從光纖探頭的反射光信號，獲得液體折射率參數(shù)。基于自成像原理的多模干涉(MMI)型折射率傳感器也被提出，但其干涉譜中不同的干涉峰對折射率的敏感度不一致。最近提出的基于 F-P干涉的折射率傳感器(中國專利文件“光纖法珀折射率傳感器及其制造方法”，公開號 CN101464408)具有小巧靈敏的特點，但需要價格昂貴的157nm或飛秒激光器，成本較高?？梢钥闯龉饫w折射率傳感器目前主要有強度調(diào)制型、波長調(diào)制型、干涉型幾種，此外還有基于表面等離子體共振(SPR)和倏逝波折射率傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種通過檢測偏振主軸旋轉(zhuǎn)角的大小來實現(xiàn)液體折射率的測量，操作簡單、易于制作、成本低的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器由單色光源、起偏器、傳感空心光纖、 檢偏器、探測器依次連接構(gòu)成；所述起偏器和檢偏器的偏振方向可調(diào)；所述傳感空心光纖包括包層、一個橢圓形纖芯，包層的中心具有空氣孔，橢圓形纖芯懸掛或熔嵌于包層內(nèi)壁， 橢圓形纖芯與空氣孔間有0-5微米的薄包層結(jié)構(gòu)；所述橢圓形纖芯的長軸與經(jīng)過橢圓形纖芯的傳感空心光纖圓對稱軸有一夾角φ。本發(fā)明的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器還可以具有下列結(jié)構(gòu)特征1、所述夾角φ為一非0且非90度的角。2、所述夾角φ為0或90度，且對傳感空心光纖在橢圓形纖芯一側(cè)進行非對稱側(cè)拋使橢圓形纖芯離包層外壁0-5微米。3、所述空氣孔的直徑為10-80微米。4、所述起偏器和檢偏器都由光纖起偏器和偏振控制器組合構(gòu)成。5、所述檢偏器和探測器由偏振態(tài)分析儀替代。
本發(fā)明的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器由單色光源、起偏器、傳感空心光纖、檢偏器、探測器依次連接構(gòu)成。單色光經(jīng)過起偏器變成線偏振光后注入傳感空心光纖中，光纖空氣孔中注有不同液體時，由于光纖結(jié)構(gòu)的非對稱性使得光纖快慢偏振軸的方向會發(fā)生改變，通過檢偏器和探測器可檢測光纖快軸方向角的變化，即可得到待測液體的折射率。

若液體折射率是溫度敏感的，該方法可實現(xiàn)溫度測量。溫度變化使液體折射率變化，折射率變化導(dǎo)致光纖快慢軸方向改變，進而實現(xiàn)溫度測量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點為1、提出通過檢測偏振主軸旋轉(zhuǎn)角的變化來實現(xiàn)折射率測量，傳感器的靈敏度取決于纖芯的橢圓率、纖芯偏轉(zhuǎn)角、纖芯距離待測液體的距離。2、該方法操作簡單，易于制作、成本低。3、該方法利用的是單色光源，不需要昂貴的寬譜光源。


圖1是基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2a是橢圓形纖芯長軸與經(jīng)過纖芯的光纖圓對稱軸有一夾角φ的懸掛芯空心傳感光纖橫截面圖；圖2b是光纖慢軸和快軸的方向(空氣孔注入液體前(X'和Y')和空氣孔注入液體后("口 ξ))；圖3是折射率變化時光纖慢軸方向角變化的理論計算結(jié)果；圖4是橢圓形纖芯長軸與經(jīng)過纖芯的光纖圓對稱軸有一夾角φ的熔嵌芯空心傳感光纖橫截面；圖5是橢圓形纖芯長軸與經(jīng)過纖芯的光纖圓對稱軸夾角為零時的懸掛芯空心傳感光纖側(cè)拋橫截面；圖6是橢圓形纖芯長軸與經(jīng)過纖芯的光纖圓對稱軸有一夾角φ的懸掛芯空心傳感光纖側(cè)拋橫截面。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述具體實施方式
1 結(jié)合圖1和圖2，一種基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，由單色光源1、 起偏器2、傳感空心光纖3、檢偏器4、探測器5依次連接構(gòu)成。起偏器2和檢偏器4偏振方向可調(diào)。單色光經(jīng)過起偏器2變成線偏振光后注入傳感空心光纖3中。傳感空心光纖3包括一個橢圓形纖芯31，中心具有直徑10-80微米的空氣孔33，纖芯31懸掛于包層32內(nèi)壁， 纖芯31與空氣孔33間有0-5微米的薄包層結(jié)構(gòu)34。橢圓形纖芯31長軸與經(jīng)過纖芯的光纖圓對稱軸有一非0且非90度夾角φ。當(dāng)光纖右端空氣孔中注有不同液體時，由于光纖結(jié)構(gòu)的非對稱性使得光纖快慢偏振軸的方向會發(fā)生改變，通過檢偏器和探測器可檢測光纖快軸方向偏轉(zhuǎn)角度θ，即可得到待測液體的折射率。圖3為空氣孔半徑為10微米，纖芯折射率和包層折射率差為0. 0052，纖芯橢圓率為0. 5，纖芯長軸為6. 84微米，纖芯中心距空氣孔最近距離為5. 42微米，波長為1. 3微米，夾角φ為45度和60度時，空氣孔中注入不同液體時光纖快軸方位角的變化。當(dāng)φ為45度， 折射率從1. 33變化到1. 4慢軸偏轉(zhuǎn)角可達8. 5度。
具體實施例方式2 結(jié)合圖1和圖4，一種基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，與實施例1不同的是，傳感光纖為融嵌芯光纖，傳感空心光纖3包括一個橢圓形纖芯31，中心具有直徑 10-80微米的空氣孔33，纖芯31融嵌于包層32內(nèi)壁，纖芯31與空氣孔33間有0_5微米的薄包層結(jié)構(gòu)。橢圓形纖芯31長軸與經(jīng)過纖芯的光纖圓對稱軸也有一非0且非90度夾角φ。
具體實施方式
3:結(jié)合圖1和圖5，一種基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，由單色光源1、 起偏器2、傳感空心光纖3、檢偏器4、探測器5依次連接構(gòu)成。起偏器2和檢偏器4均由光纖起偏器和光纖控制器構(gòu)成，形成全光纖測量系統(tǒng)。單色光經(jīng)過起偏器2變成線偏振光后注入傳感空心光纖3中。傳感空心光纖3包括一個橢圓形纖芯31，中心具有直徑10-80微米的空氣孔33，纖芯31懸掛于包層32內(nèi)壁，纖芯31與空氣孔33間有0_5微米的薄包層結(jié)構(gòu)34。橢圓形纖芯31長軸與經(jīng)過纖芯的光纖圓對稱軸夾角φ為90度。將傳感空心光纖在纖芯一側(cè)進行非對稱側(cè)拋，側(cè)拋后光纖纖芯離外界僅有0-5微米，光纖直接置于待測液體中即可使光纖快慢軸發(fā)生改變，通過檢偏器和探測器可檢測光纖快軸方向偏轉(zhuǎn)角度θ，即可得到待測液體的折射率。
具體實施方式
4 結(jié)合圖1和圖6，一種基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，與實施例3不同的是，傳感空心光纖橢圓形纖芯31長軸與經(jīng)過纖芯的光纖圓對稱軸有一非0且非90度夾角φ。將傳感空心光纖在纖芯一側(cè)進行任意方向側(cè)拋，側(cè)拋后光纖纖芯離外界僅有0-5微米，由于光纖本身非對稱結(jié)構(gòu)，光纖直接置于待測液體中即可使光纖快慢軸發(fā)生改變，通過檢偏器和探測器可檢測光纖快軸方向偏轉(zhuǎn)角度θ，即可得到待測液體的折射率。
權(quán)利要求
1.一種基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，由單色光源、起偏器、傳感空心光纖、檢偏器、探測器依次連接構(gòu)成；其特征是所述起偏器和檢偏器的偏振方向可調(diào)；所述傳感空心光纖包括包層、一個橢圓形纖芯，包層的中心具有空氣孔，橢圓形纖芯懸掛或熔嵌于包層內(nèi)壁，橢圓形纖芯與空氣孔間有0-5微米的薄包層結(jié)構(gòu)；所述橢圓形纖芯的長軸與經(jīng)過橢圓形纖芯的傳感空心光纖圓對稱軸有一夾角φ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，其特征是所述夾角φ為一非0且非90度的角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，其特征是所述夾角φ為0或90度，且對傳感空心光纖在橢圓形纖芯一側(cè)進行非對稱側(cè)拋使橢圓形纖芯離包層外壁0-5微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，其特征是所述空氣孔的直徑為10-80微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，其特征是所述起偏器和檢偏器都由光纖起偏器和偏振控制器組合構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，其特征是所述起偏器和檢偏器都由光纖起偏器和偏振控制器組合構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，其特征是所述檢偏器和探測器由偏振態(tài)分析儀替代。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，其特征是所述檢偏器和探測器由偏振態(tài)分析儀替代。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，其特征是所述檢偏器和探測器由偏振態(tài)分析儀替代。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器，其特征是所述檢偏器和探測器由偏振態(tài)分析儀替代。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于偏振主軸方向旋轉(zhuǎn)的光纖折射率傳感器。由單色光源、起偏器、傳感空心光纖、檢偏器、探測器依次連接構(gòu)成；所述起偏器和檢偏器的偏振方向可調(diào)；所述傳感空心光纖包括包層、一個橢圓形纖芯，包層的中心具有空氣孔，橢圓形纖芯懸掛或熔嵌于包層內(nèi)壁，橢圓形纖芯與空氣孔間有0-5微米的薄包層結(jié)構(gòu)；所述橢圓形纖芯的長軸與經(jīng)過橢圓形纖芯的傳感空心光纖圓對稱軸有一夾角單色光經(jīng)過起偏器變成線偏振光后注入傳感空心光纖中，光纖空氣孔中注有不同液體時，由于光纖結(jié)構(gòu)的非對稱性使得光纖快慢偏振軸的方向會發(fā)生改變，通過檢偏器和探測器可檢測光纖快軸方向角的變化，即可得到待測液體的折射率。
文檔編號G01N21/01GK102435552SQ201110270368
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者關(guān)春穎, 史金輝, 楊軍, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學(xué)