9.反射端面；10.錐形區(qū)域；11.腰區(qū)；14.普 通光纖切割刀。
[0023] 圖3是本發(fā)明的光纖傳感單元反射端面的一種制備過程示意圖。圖中：6.輸入單 模光纖；7.微納多模光纖；8.反射單模光纖；9.反射端面；10.錐形區(qū)域；11.腰區(qū)；15.藍(lán) 寶石光纖切割刀。
[0024] 圖4是本發(fā)明的反射的干涉光譜的解調(diào)流程圖。圖中：4.反射的干涉光譜；16.正 弦或者余弦函數(shù)擬合；17.自由光譜范圍；18.信號強(qiáng)度；19.矩陣公式；20.折射率；21.溫 度。
[0025] 圖5(a)為空氣中反射的干涉光譜.5(b)為正弦函數(shù)擬合的反射的干涉光譜。
[0026] 圖6為典型的外界折射率為1. 3320和1. 3410的反射的干涉光譜和正弦擬合得到 的光譜。
[0027] 圖7為典型的外界溶液溫度為35°C和50°C的反射的干涉光譜和正弦擬合得到的 光譜。
[0028] 圖8為折射率的自由光譜范圍和信號強(qiáng)度的靈敏度曲線圖。
[0029] 圖9為溫度的自由光譜范圍和信號強(qiáng)度的靈敏度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 本發(fā)明提供了基于微納多模光纖菲涅爾反射的折射率溫度同時(shí)測量的方法和裝 置。
[0031] 結(jié)合圖1、圖4所示，傳感系統(tǒng)產(chǎn)生反射的干涉光譜：信號光源1發(fā)出寬譜光，然后 寬譜光通過光纖耦合器2進(jìn)入光纖傳感單元3,首先產(chǎn)生干涉光譜，然后干涉光譜傳輸?shù)竭_(dá) 光纖傳感單元末端會發(fā)生部分反射進(jìn)而產(chǎn)生反射的干涉光譜4。
[0032] 自由光譜范圍和信號強(qiáng)度的調(diào)制：當(dāng)光纖傳感單元外部的折射率20和溫度21發(fā) 生改變時(shí)，將會引起干涉光譜4的諧振波長和強(qiáng)度的同時(shí)變化，進(jìn)而表現(xiàn)為自由光譜范圍 17和信號強(qiáng)度18受到折射率20和溫度21的調(diào)制。
[0033] 自由光譜范圍和信號強(qiáng)度的解調(diào)：當(dāng)解調(diào)裝置解調(diào)出反射的干涉光譜后，利用正 弦或者余弦函數(shù)擬合16反射的干涉光譜4即可得到自由光譜范圍17和信號強(qiáng)度18。
[0034] 下面進(jìn)一步闡述本測量的方法和裝置：
[0035] 信號光源1發(fā)出寬譜光，然后寬譜光通過光纖耦合器2進(jìn)入光纖傳感單元3的微 納多模光纖7,首先通過微納多模光纖7的錐形區(qū)域10,由于微納多模光纖是通過非絕熱拉 錐得到的，其錐形區(qū)域錐角較大，寬譜光通過錐形區(qū)域會激發(fā)出兩個(gè)模式，即模和12 模。由于模和ffi12模的有效折射率不同，兩個(gè)模式在通過微納多模光纖的腰區(qū)11會產(chǎn) 生相位差，相位差再會產(chǎn)生干涉光譜。然后干涉光譜傳輸至光纖傳感單元3的反射端面9， 由于端面兩邊的介質(zhì)不一樣，光場會產(chǎn)生菲涅爾反射，一部分光會傳輸出去，一部分光會反 射回來，即會產(chǎn)生反射的干涉光譜4。最后反射的干涉光譜4會傳輸?shù)竭_(dá)解調(diào)裝置5,由解 調(diào)裝置5的光電探測模塊12接受反射的干涉光譜4,再由數(shù)據(jù)處理模塊13解調(diào)出反射的干 涉光譜4,最后用正弦或者余弦函數(shù)擬合出反射的干涉光譜4,并且得到自由光譜范圍17和 信號強(qiáng)度18。
[0036] 當(dāng)外界折射率20和溫度21改變時(shí)，HEn模和HE 12模的有效折射率會發(fā)生改變，即 導(dǎo)致兩個(gè)模式產(chǎn)生的相位差發(fā)生變化，最終導(dǎo)致擬合出的反射的干涉光譜4的自由光譜范 圍17變化；同時(shí)當(dāng)外界折射率20和溫度21變化，光纖傳感單元末端的光場的反射率也會 發(fā)生變化，表現(xiàn)在擬合出的反射的干涉光譜的信號強(qiáng)度18發(fā)生變化。通過監(jiān)測自由光譜范 圍17和信號強(qiáng)度18,可以實(shí)現(xiàn)折射率20和溫度21同時(shí)測量。
[0037] 微納多模光纖中HEn模和HE 12模產(chǎn)生的干涉光譜可以用下面的函數(shù)形式表示：
[0038] (nfnj L = A neffL = (p+1/2)入 p
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖傳感單元，其特征在于，由輸入單模光纖，微納多模光纖，反射單模光纖和 一個(gè)反射端面構(gòu)成；所述輸入單模光纖，微納多模光纖，反射單模光纖先后順序連接，所述 反射端面位于所述反射單模光纖的尾端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感單元，其特征在于，所述的微納多模光纖包括腰區(qū) 和分別連接腰區(qū)兩端的兩個(gè)錐形區(qū)，所述腰區(qū)直徑為4 y m至12 y m，支持肥。模式和肥12模 式傳播；兩個(gè)錐形區(qū)分別連接所述輸入單模光纖、反射單模光纖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖傳感單元，其特征在于，所述微納多模光纖通過非絕熱 拉錐制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖傳感單元，其特征在于，所述反射端面是用光纖切割刀 在反射單模光纖任意位置垂直切割獲得。
5. -種光纖傳感單元，其特征在于，由輸入單模光纖，微納多模光纖和一個(gè)反射端面構(gòu) 成；所述輸入單模光纖與微納多模光纖連接，所述反射端面位于所述微納多模光纖的尾端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖傳感單元，其特征在于，所述的微納多模光纖包括腰區(qū) 和錐形區(qū)，錐形區(qū)連接所述輸入單模光纖，所述腰區(qū)直徑為4 y m至12 y m，支持肥11模式和 HEi2模式傳播。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖傳感單元，其特征在于，所述微納多模光纖通過非絕熱 拉錐制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖傳感單元，其特征在于，所述反射端面是用藍(lán)寶石光纖 切割刀在微納多模光纖腰區(qū)上的任意位置垂直切割獲得。
9. 一種權(quán)利要求1或2所述光纖傳感單元在同時(shí)測量折射率溫度的應(yīng)用，其特征在于， 信號光源發(fā)出的寬譜光通過光纖禪合器進(jìn)入所述光纖傳感單元，產(chǎn)生干設(shè)光譜，然后干設(shè) 光譜傳輸?shù)竭_(dá)光纖傳感單元的反射端面發(fā)生部分反射，產(chǎn)生反射的干設(shè)光譜被解調(diào)裝置接 收；當(dāng)光纖傳感單元外部的折射率和溫度發(fā)生改變時(shí)，分別引起干設(shè)光譜的諧振波長和強(qiáng) 度的變化；解調(diào)裝置解調(diào)出反射的干設(shè)光譜的波長和強(qiáng)度變化量，即實(shí)現(xiàn)折射率和溫度的 同時(shí)測量。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述光纖傳感單元在同時(shí)測量折射率溫度的應(yīng)用，其特征在于，所 述解調(diào)裝置包括光譜探測模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；所述光譜探測模塊接收反射的干設(shè)光譜； 所述數(shù)據(jù)處理模塊對獲得的反射的干設(shè)光譜進(jìn)行正弦或者余弦函數(shù)擬合，計(jì)算得到反射的 干設(shè)光譜的自由光譜范圍和信號強(qiáng)度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖傳感單元及其在同時(shí)測量折射率溫度的應(yīng)用，光纖傳感單元包括輸入單模光纖，微納多模光纖，反射單模光纖和一個(gè)反射端面。信號光源發(fā)出的寬譜光通過光纖耦合器進(jìn)入所述光纖傳感單元，產(chǎn)生干涉光譜，然后干涉光譜傳輸?shù)竭_(dá)光纖傳感單元的反射端面發(fā)生部分反射，產(chǎn)生反射的干涉光譜被解調(diào)裝置接收；解調(diào)裝置解調(diào)出反射的干涉光譜的波長和強(qiáng)度變化量，即實(shí)現(xiàn)折射率和溫度的同時(shí)測量。本發(fā)明能同時(shí)測量外界折射率和溫度值，具有很高的靈敏度和可靠性，而且抗干擾能力強(qiáng)、成本低、容易實(shí)現(xiàn)。不僅可以用于大氣環(huán)境、土壤水質(zhì)監(jiān)測、還可以用于生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)和人體檢測等領(lǐng)域研究。
【IPC分類】G01D21-02, G01D5-26
【公開號】CN104535091
【申請?zhí)枴緾N201410834615
【發(fā)明人】孫琪真, 羅海鵬, 徐志林, 劉德明
【申請人】華中科技大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月29日