一种基于细芯光纤修饰CNT的迈克尔逊结构的折射率传感器的制作方法

一种基于细芯光纤修饰CNT(Carbon Nanotube)的迈克尔逊结构的折射率传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术：

光纤折射率传感器一种重要的光纤传感器，常见的一些改善传感器灵敏度的方法是对光纤进行一些特殊的溶解或化学处理使其对外界环境的折射率更加敏感，但是这些方法在提高折射率灵敏度的同时降低了光纤本身的柔韧性，使其在实际应用中受到一些限制。同时大多数折射率传感器会随着外界折射率的增加波长进行漂移，而强度不会因此发生有规律或明显的起伏。这样的传感器容易受到FSR(Free Spectral Rang)的限制，并且不能够在比较宽的折射率范围内进行连续实时的监测。近些年来，越来越多的人们在光纤表面沉积一层薄膜来提高传感器的传感特性。这类传感器具有成本低、容易制作、使结构的折射率的测量范围随着外界环境的改变而改变等优点。

全光纤迈克尔逊干涉仪是一种重要的光纤干涉仪，其结构分两种，一种是在一段单模光纤中间熔接出一个结构，该结构可以激发出包层模，同时光纤的端面可以镀高反射率的银，可将激发出的包层模反射回到纤芯中与纤芯中传输的光发生干涉，或者可将光纤端面熔接出一些特殊结构，可以激发更高级次的包层模。第二种结构是将一段单模光纤与特种光纤熔接在一起，利用单模光纤与特种光纤的纤芯直径不匹配的原理激发出包层模。该结构折射率灵敏度很高，可进行波长和强度的双解调。

CNT是一种对光有高的吸收率并且具有高的折射率的黑色的材料，另一方面CNT 对于硅材料具有很好的兼容性可以在硅表面形成薄膜。重要的是基于它的传感原理，可以使原本结构的折射率的测量范围增大，并且随着外界折射率改变干涉波谱的强度改变得到提高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于细芯光纤修饰CNT的迈克尔逊结构的折射率传感器。该装置成本低，便于制作，可以使原本结构的折射率的测量范围增大，并且随着外界折射率改变干涉波谱的强度改变得到提高。

本实用新型通过以下技术实现：

一种基于细芯光纤修饰CNT的迈克尔逊结构的折射率传感器，其特征在于：由单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧顶端包层(3)、CNT沉积层(4)组成；单模光纤(1)与细芯光纤(2)相连，微弧顶端包层(3)与细芯光纤(2)相连，CNT沉积层(4)包裹细芯光纤(2)、微弧顶端包层(3)的表面。

所述的一种基于细芯光纤修饰CNT的迈克尔逊结构的折射率传感器，其特征在于：单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧顶端包层(3)均可采用G.652单模光纤，细芯光纤(2)的纤芯和包层直径分别为4μm和124.5μm，细芯光纤(2)的长度L为2mm，微弧顶端包层(3)的长度l 为45.08μm。

所述的一种基于细芯光纤修饰CNT的迈克尔逊结构的折射率传感器，其特征在于： CNT沉积层(5)采用CNT均匀的沉积在光纤的表面。

本实用新型的工作原理为：依据迈克尔逊干涉仪的干涉公式为：

其中E₁和E₂分别是基模和激发的包层模的大小，Δn＝n₁-n₂是包层模的纤芯的有效折射率差，l₁是L的二倍，λ是工作波长，是初始相位。外界环境的折射率的改变影响了包层模式的有效折射率，从而导致相位的改变。

这可以解释基于细芯光纤的迈克尔逊结构随着外界环境折射率的改变波长和强度都发生了明显的改变。经过CNTs修饰过后的迈克尔逊结构，如图2所示。由于CNTs是一种高折射率和高光吸收率的材料，那么高折射率特性使得包层模式的有效折射率发生变化，这将影响细芯光纤表面的包层模式的倏逝波的强度，导致干涉波峰和波谷的波长和消光比的改变。当外界环境的折射率发生改变时，端面修饰了CNTs的细芯光纤也发生改变，包层模式倏逝波反射强度可使用公式：

其中a＝4πk/λ是CNT层的吸收系数，n_clad和n_am分别是包层和外界环境的折射率。r_x，y是在不同层干涉的反射系数。相应的四层分别是光纤纤芯，包层，CNT薄膜还有外界环境。从公式中可以看出外界环境折射率的改变影响了R的变化。当外界环境折射率低于包层的折射率时，外界环境折射率的增加将导致R的减小，这意味着有很少的倏逝波的能量被反射回纤芯与纤芯的基模发生干涉，从而最终导致消光比的减小。其中R的变化将比未修饰CNT的传感器的R的变化更大，因为对于未修饰CNT的传感来说，包层模式的强度只是依赖于光纤包层与外界环境之间的菲涅尔反射。CNT薄膜将提高包层模式的反射强度，因此随着外界环境折射率的变化，干涉波峰和波谷的强度将会发生更大的变化。

本实用新型的有益效果是：在实验中使用了一种简单有效的沉积方法将CNTs沉积在光纤的端面。基于它的传感原理，可以使原本结构的折射率的测量范围增大，并且随着外界折射率改变干涉波谱的强度改变得到提高。这样沉积了CNTs的细芯光纤结构克服了FSR 的限制。同时根据高折射率的CNT将增加包层的有效折射率，那么外界环境折射率的增加引起的包层模与纤芯模的有效折射率差将减小，从而该传感器波长的漂移量与未修饰CNT的传感器相比将会减少。适量控制CNT的修饰厚度将会增加传感器强度的漂移量，可以尽量减小对波长的影响。

附图说明

图1是本实用新型的基于细芯光纤修饰CNT的迈克尔逊结的构折射率传感器示意图

图2是本实用新型的传感器修饰CNT前后干涉光谱的变化实验图

图3是本实用新型的传感器随着外界环境折射率的变化干涉光谱的变化图

图4是本实用新型的外界环境折射率与干涉峰波长的拟合图

图5是本实用新型的外界环境折射率与干涉峰强度的拟合图

具体实施方式

光纤折射率传感器的实验装置：

一种基于细芯光纤修饰CNT的迈克尔逊结构的折射率传感器的系统包括一个带宽光源，光纤耦合器和光谱仪。实验时将Piranha溶液处理后结构连接到光谱仪和光源上。通过光沉积方法，在沉积在光纤端面的过程中，宽带光源原本输出能量为95dB，将其调节到 120dB，约为20mW的能量，在这种情况下将结构的端面伸入到CNT溶液中持续20min，光热量可以缓慢的增加温度，使CNT均匀的沉积在光纤的表面上，然后将结构浸入水中冲洗两小时，将未稳定沉积的CNT冲洗掉。在整个沉积的过程使用光谱仪进行监测来控制CNT 的厚度，以确保修饰后的结构具有良好的干涉谱。

下面结合附图及实施实例对本实用新型作进一步描述：

参见附图1，一种基于细芯光纤修饰CNT的迈克尔逊结构的折射率传感器，其特征在于：由单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧顶端包层(3)、CNT沉积层(4)组成；单模光纤(1)与细芯光纤(2)相连，微弧顶端包层(3)与细芯光纤(2)相连，CNT沉积层(4)包裹细芯光纤(2)、微弧顶端包层(3)的表面。单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧顶端包层(3)均可采用G.652单模光纤，细芯光纤(2)的纤芯和包层直径分别为4μm和124.5μm，细芯光纤(2)的长度L为2mm，微弧顶端包层(3)的长度l为45.08μm。CNT沉积层(4)采用CNT均匀的沉积在光纤的表面。

图2显示了修饰前后细芯光纤结构在空气中的反射谱。可以看出修饰后的结构的反射谱向长波方向漂移。CNT的高折射率引起了包层模式的有效折射率的改变，从而引起干涉波谱发生红移。将修饰好的传感器进行折射率的测量。

图3显示了随着外界折射率的变化反射波谱的变化。未修饰的基于细芯光纤的折射率传感器折射率范围为1.33RIU(Refractive Index)-1.38RIU，波长解调后的灵敏度为 228.85nm/RIU，强度解调后的灵敏度为-158.75dB/RIU。对沉积CNT的传感器的反射谱进行解调发现波长漂移与未修饰的没有明显的变化，但是强度漂移增加解调后的折射率灵敏度为 -183.67dB/RIU，

图4显示了外界折射率伴随波长的改变。

图5显示了外界折射率伴随强度的改变。