一种微纳光纤折射率传感器的制作方法

本实用新型涉及光纤传感技术领域，特别是一种微纳光纤折射率传感器。

背景技术：

近年来，由于微纳光纤具有倏逝场大，高非线性等优点，基于微纳光纤的折射率（RI）传感器受到了人们愈来愈多的关注，并且制作这类传感器通常并不需要昂贵且复杂的设备。截至目前，各种微纳光纤传感器，例如基于微纳光纤环形谐振腔的湿度传感器、基于微纳光纤的耦合器折射率传感器、基于微纳光纤的结型折射率传感器等等都已经成功的被研究制作出来，然而上述提到的传感器都需要复杂的制作方法和特殊的制作工具，目前微纳光纤折射率传感器体积较大、制备不简单、设计不灵活等，且锥腰直径较小，易损坏。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种微纳光纤折射率传感器，本实用新型的干涉强度大大增加，体积小、制备简单、设计灵活。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种微纳光纤折射率传感器，包括依次连接的第一单模光纤、第一过渡区、锥腰、第二过渡区和第二单模光纤；其中，锥腰的表面为螺母状的不光滑表面。

作为本实用新型所述的一种微纳光纤折射率传感器进一步优化方案，锥腰的直径为10μm。

作为本实用新型所述的一种微纳光纤折射率传感器进一步优化方案，第一单模光纤为G657单模光纤。

作为本实用新型所述的一种微纳光纤折射率传感器进一步优化方案，第二单模光纤为G657单模光纤。

作为本实用新型所述的一种微纳光纤折射率传感器进一步优化方案，锥腰有多个扭曲圈数。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本实用新型传感器的锥腰部分由于经过扭曲和二次火焰拉锥处理，其表面结构由原本的光滑表面变为螺母状的不光滑表面，这使得其干涉强度大大增加，从而达到作为传感器的基本要求；

（2）本实用新型折射率传感器的灵敏度可达到809 nm /RIU，该微纳光纤折射率传感器有着体积小、制备简单、设计灵活等优点，在折射率传感方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1a为本实用新型折射率传感器的第一次拉伸过程示意图。

图1b为本实用新型折射率传感器第一次拉伸后的扭曲过程示意图。

图1c为本实用新型折射率传感器扭曲处理后的二次拉伸过程示意图。

图2为本实用新型传感器的光谱与普通火焰拉锥光纤光谱比较图。

图3a为扭曲圈数1圈时，预拉长度为10000μm、15000μm、17000μm的情况下光谱图。

图3b为扭曲圈数2圈时，预拉长度为10000μm、15000μm、17000μm的情况下光谱图。

图3c为扭曲圈数3圈时，预拉长度为10000μm、15000μm的情况下光谱图。

图4a为预拉长度10000μm时，扭曲圈数为1、2、3圈时的光谱图。

图4b为预拉长度15000μm时，扭曲圈数为1、2、3圈时的光谱图。

图4c为预拉长度17000μm时，扭曲圈数为1、2圈时的光谱。

图5a为预拉长度17000μm，扭曲圈数1圈，最终锥腰直径为10μm的样品在不同折射率匹配液中的光谱。

图5b为预拉长度17000μm，扭曲圈数1圈，最终锥腰直径为10μm的样品折射率拟合曲线图。

图中的附图标记解释为：1-火焰。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

在本实用新型中我们将G657单模光纤固定在两个光纤夹具上，置于氢气火焰下加热，同时向两侧拉伸。我们可以通过控制氢气流量以及拉伸速度来控制锥区长度，锥腰直径以及过渡区形状等。

图1a-图1c展示了制作该微纳光纤折射率传感器的具体过程。图1a为本实用新型折射率传感器的第一次拉伸过程示意图，图1b为本实用新型折射率传感器第一次拉伸后的扭曲过程示意图，图1c为本实用新型折射率传感器扭曲处理后的二次拉伸过程示意图。第一步为预拉伸过程，图1a所示，我们采用的氢气流量为160SCCM，夹具运行速度为400μm/s。预拉伸结束后将一端尾纤固定，扭曲另一端尾纤，如图1b所示。最后继续以相同的参数拉伸扭曲后的光纤，如图1c所示。与传统的火焰拉锥法相比，我们在其中加入了一个扭曲的过程，通过比较传统火焰拉锥法和本实用新型制作方法所得微纳光纤的光谱，我们可以发现相对于传统火焰拉锥，本实用新型的制作出的传感器可以明显提高微纳光纤的干涉对比度，使其满足作为折射率传感器的基本要求。

本实用新型首次提出了一种新型的基于预拉伸和扭曲技术的新型折射率传感器，通过在传统火焰拉锥法的过程中加入了扭曲操作，大大增加了微纳光纤的透射谱对比度，如图2所示，图2为本实用新型传感器的光谱与普通火焰拉锥光纤光谱比较图。该新型折射率传感器的结构与普通火焰拉锥制成的微纳光纤类似，结构为单模光纤-过渡区-锥腰（不平滑的表面结构）-过渡区-单模光纤，与普通微纳光纤相比，该传感器的锥腰部分由于经过扭曲和二次火焰拉锥处理，其表面结构由原本的光滑表面变为螺母状的不光滑表面，这使得其干涉强度大大增加，从而达到作为传感器的基本要求。

本实用新型中对传感器光谱对比度影响主要有两个方面，一是预拉长度，二是扭曲圈数，下面将具体说明其对微纳光纤传感器光谱对比度的具体影响。

首先在扭曲圈数相同时，预拉伸长度分别为10000μm、15000μm和17000μm（锥腰直径分别为33μm、20μm、15μm）的情况下所得光谱如图3a、图3b、图3c所示。在图3a中，我们可以看到在扭曲圈数为1时，随着预拉伸长度从10000μm增加到17000μm，光谱对比度明显增加，同样在图3b、图3c中，扭曲圈数分别为2、3时，随着预拉伸长度的增加，透射谱对比度明显增强。

接着图4a、图4b、图4c说明了预拉长度对干涉对比度的影响，从图中可以看到，在预拉伸长度一定时，随着扭曲圈数的增加，干涉对比度明显增强，例如图4a为预拉长度10000μm时，扭曲圈数为1、2、3圈时的光谱图，图4b为预拉长度15000μm时，扭曲圈数为1、2、3圈时的光谱图。在图4c中，当预拉长度为17000μm，扭曲圈数为2圈时（图4c中虚线所示）在波长为1461nm时，对比度上升到~15.2 dB。

由于在非绝热锥微纳光纤的制作过程中，原单模光纤的圆柱对称结构发生改变，因此存在基模与高阶模之间的耦合，从而导致干涉现象。本实用新型所采用的制作方法（拉伸-扭曲-拉伸）将会进一步破坏其对称结构和锥区原本光滑的表面结构，使得干涉强度大大增加。随着预拉伸长度和扭曲圈数的增加，破坏作用会更加明显，相应的干涉强度进一步增强。

最后说明当预拉伸长度为17000μm，扭曲圈数为1圈的实验样品折射率敏感度。图5a为样品在不同折射率匹配液（折射率系数从1.30-1.33）的光谱，可以看到随着外界折射率系数的增加，光谱向长波长方向发生明显漂移。图5b为追踪其dip所得的拟合曲线，其拟合相关系数R=0.95618，所得折射率敏感度为809nm/RIU。

在普通火焰拉锥过程中加入了一个扭曲的过程，即将普通单模光纤先拉伸一定长度，再扭曲一端尾纤，最后再进行拉伸，使得其干涉对比度有着明显提升；其中，该新型火焰拉锥方法所制得的微纳光纤干涉强度随着预拉伸长度的增加和扭曲圈数的增加而增大。

在折射率变化从1.30到1.33的范围内，该折射率传感器的灵敏度可达到809 nm /RIU。该新型微纳光纤折射率传感器有着体积小、制备简单、设计灵活等优点，在折射率传感方面具有广阔的应用前景。

本实用新型的微纳光纤折射率传感器的锥腰直径为10μm，这使得该传感器相对于其他微纳光纤传感器而言不易损坏。通常情况下，由于锥腰直径约为10μm的非绝热型微纳光纤的干涉强度很低，远远达不到作为传感器的条件，因此目前的传感器都是经过特殊处理例如打结、成环等或者锥腰部分直径为纳米级别等。和目前的微纳光纤传感器相比，本实用新型的制作过程简单，只需在制作普通微纳光纤的过程中加入一个扭曲的过程，即可提高干涉谱的对比度，从而使其满足作为传感器的基本要求。

以上所述的具体实施方案，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方案而已，并非用以限定本实用新型的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。