光纤传感器及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有光波导的光纤传感器，光波导具有至少一第一芯和围绕该第一芯的包层，其中第一芯实质上在光波导的整个长度上延伸。本发明也涉及此传感器的应用。
【背景技术】
[0002]从US7，813，599 B22得知用以装备具有三个芯的光波导。这些芯的每一个应具有多个布拉格光栅(Bragg gratings) 0親合到芯的光的部分被反射在光纤光栅上，并且其部分被传送。被反射波长及/或被反射波长范围依靠由布拉格光栅组成的光栅。
[0003]当布拉格光栅产生时，光栅常数依次被确定，并且在其产生之后，常数是在机械张力或温度的影响下改变。如果光波导具有曲率，三个芯包括不同的曲率半径，且因此每个芯具有不同的机械张力。举例来说，接近曲率中心的芯被压缩，并且远离曲率中心的芯被拉伸。因此，空间中的光波导的形式通过确定由布拉格光栅反射的波长来确定。
[0004]然而，此已知的传感器具有需要将光耦合到和耦合出三个心的昂贵光学系统的缺点。由于三个芯必须个别读出，分别被反射波长的光谱测量设备上获得的需求被增加。如果光波导的形是随时间改变，来自所有芯的被反射光谱的测量也必须被同步。
【发明内容】
[0005]在此公知传感器的基础上，本发明的目的是提供一种光纤传感器，其是容易制造，并且可以毫不费力地进行操作。
[0006]这个目的是根据本发明通过根据权利要求1的光纤传感器和权利要求13的应用来实现的。
[0007]光纤传感器具有至少一光波导。在本发明的一些实施例中，光纤传感器具有精确地一个光波导。光波导可以具有实质上圆柱形外轮廓，并以它的纵向沿一个工具延伸，例如沿着内窥镜或沿着导管来延伸。如果内窥镜或导管不具有线性形式，工具的确切形式可以在空间中通过确定光纤传感器的曲率來检测。如果绝对坐标或一个点的位置是已知的，工具的所有部件及/或部分的绝对位置也可以被确定。另外，工具可以通过比较工具的实际形式与沉积图像数据来操纵。图像数据可以例如包含地层剖面，其结果是钻孔的过程及/或钻孔工具的位置可被确定。图像数据可以例如是人或动物本体的血管系统的数据，以便能够确定在本体中导管的位置。
[0008]在本发明的其他实施例中，光纤传感器可以是玻璃或塑料板的部件。在本发明的又一实施例中，光纤传感器可以是容器或导管的部件，以便能够确定此导管的形式及/或光纤传感器附近的可预置分子的浓度。
[0009]光波导具有至少一第一芯，其实质上在光波导的整个长度上延伸。第一芯通过包层来围绕，包层具有低于至少一芯的折射系数。因此，耦合到芯的光可以通过在沿光波导的纵向延伸的心和包层之间的边界的全反射来导引。在本发明的一些实施例中，芯和包层可以由石英玻璃构成，其中芯的折射系数不同于通过使用锗或磷掺杂的包层的折射系数。
[0010]在本发明的其他实施例中，光波导可以由高分子材料构成，其中芯和包层之间的折射系数的所需比率式通过不同组合物、不同交联或掺杂来获得。
[0011]几何定义的边界可以在芯和包层之间形成。在本发明的其他实施例中，芯可以连续改变到包层，从而导致作为光波导的函数的有效芯直径及/或入射角。
[0012]在本发明的一些实施例中，可选的保护涂层可以被施加到包层的外部，所述涂层防止散射光的穿透及/或增加光波导的机械负载能力及/或促进附着及/或嵌入于工具或在工具中。
[0013]根据本发明，现在提出的是，传感器具有其至少一第二芯，其由包层至少部分地围绕，并且第二芯的纵向延伸是小于光波导的整个纵向延伸。
[0014]此第二芯应具有至少一布拉格光栅(Bragg grating)。当光纤传感器操作时，光被耦合到第一芯并且通过光波导的纵向延伸。被导引在第一芯的光学性能的部分可以通过在第二芯被引入的可预置地点的瞬逝耦合进入到第二芯。由于在第二芯和在围绕所述芯的包层中的不同反射系数，光的部份接着被导引在第二芯。可预置波长范围在布拉格光栅上被反射。被反射光可以依次进入到第一芯且在光波导的端点处被检测。
[0015]为了在光波导的数个位置处测量曲率及/或温度及/或影响机械张力，有可能引入数个第二芯，其各自具有分配布拉格光栅到光波导的包层。然而，光波导可以简单地接触光谱仪和光源，由于光波导仅在其端部具有相对小数量的第一芯。如果光波导仅具有单一第一芯，接触可以使用从光信息传输的已知设备和方法的一般已知方式来产生。这使得信号读出和产生特别简单和可靠。
[0016]在本发明的一些实施例中，第一芯可以配置在光波导的对称轴上。如果光波导具有旋转圆筒状横截面，第一芯可以配置以同心方式相对于被围绕包层进行配置。此实施例具有的优点是，第一核形成在光波导的中性纤维，且从而保持主要地不受机械影响。
[0017]在本发明的一些实施例中，第二芯的纵向延伸可以具有至少一第一纵向部分、至少一第二纵向部分和至少一第三纵向部分。在此事例中，第一纵向部分是适用于允许第二芯与第一芯之间的光耦合，第三纵向部分是适用于在离第一芯的一个距离被导引在包层并且接收至少一布拉格光栅，其中第二纵向部分互相连接第一纵向部分和第三纵向部分。此实施例具有的优点是，传感器的响应特性可以通过第三纵向部分离光波导的对称轴的一个距离来调整，及，光纤传感器可以检测具有高精确度的小形变或覆盖具有它测量范围的形变的大范围。由于第三纵向部分也可以从第一芯到没有光可以进入到第二芯的这样程度来间隔，未受干扰的测量时可以被采用。于此相比，第二芯的第一纵向部分是想要允许芯之间光的限定传输。一方面，这涉及耦合到第一芯的辐射，并且另一方面，辐射是通过布拉格光栅反射并且辐射可以可靠地到达第一芯且从而游光谱仪读出。
[0018]在本发明的一些实施例中，至少一第二芯可以通过藉由激光处理光波导的包层的材料来产生。在本发明的一些实施例中，短脉冲激光可以用于此目的，即，激光发射个别脉冲或具有小于一皮秒或小于100飞秒的持续时间的脉冲串。包层中的材料改进的深度可以通过可以产生不同的焦点位置的聚焦光学系统进行调整。连续第二芯可以从通过由侧向移位或相对移动光波导和激光的光波导的的包层的激光所暴露的个别点来产生。
[0019]在本发明的一些实施例中，也可能通过使用机光辐射处理材料，以产生至少一心中的至少一布拉格光栅。为了这个目的，具有不同的折射系数的空间的容量都被产生在至少一芯中。多个这种空间的容量的距离限定其确定被反射波长或被反射波长范围的布拉格光栅的光栅常数。此光栅常数是通过温度变化、芯的拉申或压缩来改变，且因此可能通过改变被传输或被改变的波长来检测形变、机械张力或温度变化。
[0020]在本发明的一些实施例中，传感器具有多个第二芯，所有的第二芯具有第三纵向部分且至少在两个不同距离及/或相对于光波导的对称轴处进行配置。此特征具有影响的是，根据可预置形变，更外部的第二芯比更内部的芯被更广泛地拉申或压缩。因此具有大动态范围的大形变可以通过接近光波导的对称轴的第二芯来测量。然而，小形变可以以大精确度通过更外部的芯来测量。
[0021]在本发明的一些实施例中，布拉格光栅可以在一个地点配置在第二芯和第一芯中，即，在光波导的纵向延伸的点处。如果第一芯是位于对称轴上，且因此在光波导的中性光纤，在第一芯中的布拉格光栅保持不受机械形变影响。然而，所有布拉格光栅改变其随着温度改变的光栅常数，，且因此第一芯的布拉格光栅的信号可以用于补偿第二芯的测量信号的温度。
[0022]在一些实施例中，当它被以单色机光辐射引起时，第一芯可以适用于产生宽带光。在本发明的一些实施例中，这可以被实现，因为第一芯含有掺杂物。在本发明的一些实施例中，掺杂物可以是铒及/或镱。本发明的此实施例可具有优点，其是多个不同光栅常数的布拉格光栅可以通过宽带或白光来读出。此宽带光可以通过感应发射且以第一芯内的较大效率来产生。如果强烈的激光光源是用于光学地栗浦第一芯，在光波导的第一芯中产生的宽带辐射可以具有高于例如藉由光波导外的超亮度二极管产生的辐射的强度。作为其结果，在本发明的一些实施例中信号/噪声比可以被改进。
[0023]在本发明的一些实施例中，第二芯的第一纵向部分可以几何地部分重叠于第一芯的部件或部分。由于两个芯因此几何地占用相同空间的至少一部分以及耦合的光被导引在第一芯，这会导致光从第一芯到第二芯的非常有效传输从。
[0024]在本发明的一些实施例中，第二芯的第一纵向部分可以具有离第一芯的一个距离，其小于约3 ym或小于约2.5 ym或小于约2 ym。在此事例中，光可以通过瞬逝親合从第一芯进入到第二芯以及从第二心进入到第一芯。由于第二芯的第二纵向部分从第一芯渐增地发散，耦合很快地变弱，且因此也不再有在第三纵向部分的芯之间的必要耦合。
[0025]在本发明的一些实施例中，至少一第二波导的第三纵向部分具有离光波导的侧表面的一个距离，其小于约10 y