一种基于机械压制型长周期塑料光纤光栅折射率传感器的制作方法

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种基于机械压制型长周期塑料光纤光栅折射率传感器。

背景技术：

折射率测量作为物质分析的一种重要手段，其在生化检测、环境监测、医疗诊断、食品安全等方面具有重要的意义。而基于光纤光栅的折射率传感技术更具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀和与现有光纤系统相兼容等优势，目前得到了广泛的研究。

长周期光纤光栅特有的耦合模式决定了其对外界环境折射率敏感，通过包层腐蚀的方法可进一步提高灵敏度(如文献deliv,partridgem,rodriguezwe,etal.sensitivityenhancementinlowcutoffwavelengthlong-periodfibergratingsbycladdingdiameterreduction.[j].sensors,2017,17(9):2094.)。目前，常见的长周期光纤光栅为单模石英光纤光栅，这种光纤光栅的制备通常需要红外曝光法、co2激光逐点写入法、离子束注入法和振幅掩模法等方法。但由于石英材料质地坚硬且易碎，所以基于石英材料的长周期光纤光栅制备工艺复杂、成本较高。因此，发明一种制备工艺简单、成本较低、操作简便和灵敏度较高的长周期光纤光栅具有重要意义。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明的目的是提供一种制备工艺简单、成本较低和较高灵敏度的基于机械压制型长周期塑料光纤光栅折射率传感器。

如图1所示，本发明所述的基于机械压制型长周期塑料光纤光栅折射率传感器，是由激光光源1、多模塑料光纤2、水平方向可移动的第一光纤固定夹3和第二光纤固定夹6、长周期塑料光纤光栅探头4、智能温控平台5、光功率计7和数据采集处理系统8构成；长周期塑料光纤光栅探头4是多模塑料光纤2的一部分，放置于智能温控平台5上，探头两端分别用第一光纤固定夹3和第二光纤固定夹6夹紧，多模塑料光纤2的一端与激光光源1相连，另一端与光功率计7相连；长周期塑料光纤光栅探头4由如下步骤制备得到：

步骤1：将多模塑料光纤2中间长为5～30mm的区域浸泡在体积浓度≥95.5％的乙酸乙酯水溶液中，将多模塑料光纤的包层腐蚀掉；然后分别经过无水乙醇和去离子水清洗，最后吹干，从而得到无包层结构的多模塑料光纤10；

步骤2：将步骤1得到的无包层结构的多模塑料光纤10水平放置在具有v槽阵列的金属光栅振幅掩模板12下面，v槽阵列的水平方向与光纤的轴向垂直，在v槽阵列的压力作用下，无包层结构的多模塑料光纤10内部形成周期性应力分布，表面形成与金属光栅振幅掩模板相同周期的v槽阵列，从而实现长周期塑料光纤光栅探头4的制备。

以上制备方法所涉及到的塑料光纤为多模塑料光纤，纤芯直径为220～260μm，包层厚度为10～20μm，数值孔径为0.5。

以上制备方法所涉及到的金属光栅振幅掩模板v槽阵列的长度为5～30mm，周期为50～300μm，v槽角度为60°。

以上制备方法所涉及到的长周期塑料光纤光栅探头4的长度为5～30mm，周期为50～300μm，v槽深度为20～100μm；

由于本发明采用的是多模塑料光纤，其制备的长周期光纤光栅具有大量的纤芯模和包层模，纤芯模和包层模在整个工作波长带宽内都会发生耦合，采用波长调制几乎无法分辨，所以采用强度调制更为合适。

本发明所述的一种基于机械压制型长周期塑料光纤光栅折射率传感器的工作原理为：多模塑料光纤中传输的纤芯模与包层模、辐射模之间发生耦合，而这种耦合效率将受到外界待测溶液折射率的影响，从而使得光信号通过光纤的透过率发生变化。无包层光纤结构则进一步增强了待测溶液与光纤中包层模和辐射模的相互作用，大大提高了光纤传感灵敏度。所以通过对透过率的测量即可得到待测溶液的折射率。

本发明所述的一种基于机械压制型长周期塑料光纤光栅折射率传感器优点：

采用金属光栅振幅掩模板进行光纤传感探头的制备，工艺简单，成本较低，易于商业化生产。

采用的光纤为多模塑料光纤，质地柔软，具有抗压性，且工作在可见波段，易于压制和调试。

本发明所述的一种基于机械压制型长周期塑料光纤光栅折射率传感器，折射率的测量范围为1.333～1.460，测量范围较宽且整个测量范围具有较高灵敏度。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于机械压制型长周期塑料光纤光栅折射率传感器结构示意；

图2为本发明所述的塑料光纤包层去除过程示意图；

图3为本发明所述的去除包层后的长周期塑料光纤光栅探头的制作示意图；

图4为本发明所述的长周期塑料光纤光栅探头结构示意图；

图5中(a)、(b)分别为甘油水溶液折射率在1.333～1.410、1.410～1.460范围内，本发明所述的传感器测量得到的折射率与透过率关系的实测图和拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施对本发明进行详细论述。

实施例1：测量甘油水溶液的折射率为例

如图1所示，本发明所述的一种基于机械压制型长周期塑料光纤光栅折射率传感器主要由激光光源1(thorlabs公司生产的tls001-635，波长为635nm，发射功率为1mw)、长周期塑料光纤光栅探头4和光功率计7(thorlabs公司生产的s120c，工作波段为400～1100nm)组成；长周期塑料光纤光栅探头4两侧分别用水平方向可移动的第一光纤固定夹3和第二光纤固定夹6夹紧来保证探头水平，避免探头弯曲带来的弯曲损耗；为了减少环境温度对测量结果的影响，将待测溶液置于智能温控平台5(深圳精良和科技有限公司生产的p-10a，温度0～400℃可调)上进行恒温20℃控制；多模塑料光纤2的一端与激光光源1相连，另一端与光功率计7相连；当激光光源发出的光信号经过长周期塑料光纤光栅探头4时，光信号强度将受到与探头相接触的不同折射率甘油水溶液的调制，使得光纤中光信号的透过率t发生变化，即光功率计7所探测到的光强发生变化，光功率计7通过a/d转换后将数据传递给数据采集处理系统8(光功率计s120c自带软件pm-100进行数据采集，matlab进行数据处理)，从而得到光信号的透过率t，透过率t由下式给出：

t＝pi/p0(1)

其中pi和p0分别为测量甘油水溶液和去离子水溶液中，光纤探头的平均功率输出值。

为了得到传感器透过率t与折射率n的关系，对传感器进行了几组不同折射率甘油水溶液的透过率测量，其透过率t与折射率n的关系曲线如图5(a)和图5(b)所示，最后利用最小二乘直线拟合得到透过率t与折射率n的数值关系式为：

根据公式(2)，只需测得与长周期塑料光纤光栅探头4相接触的被测甘油水溶液的传感器透过率t，就可得到该甘油水溶液的折射率n。

表1、表2分别为在1.333≤n≤1.410、1.410≤n≤1.460折射率范围内，通过公式(2)计算所得的折射率n拟和实际测量得到的折射率n实的平均相对误差分别为0.10％、0.09％。

表1：折射率实际测量值n实与公式(2)拟合测量值n拟结果(1.333≤n≤1.410)

表2：折射率实际测量值n实与公式(2)拟合测量值n拟结果(1.410≤n≤1.460)

图2所示为塑料光纤包层化学腐蚀去除的示意图，把多模塑料光纤2(江西大圣塑料光纤有限公司生产的多模商用塑料光纤db-500，纤芯直径为240μm，包层厚度为10μm，数值孔径为0.5)要去除的包层区域浸入到盛有体积浓度≥99.5％乙酸乙酯水溶液的玻璃器皿9中一段时间，后经无水乙醇及去离子水清洗、吹干，得到去除包层后的塑料光纤如图2中10所示。为了完全去除包层而不损坏纤芯，通过实验，最佳腐蚀时间为45～50s。

图3所示为长周期塑料光纤光栅探头4制作示意图，将去除包层的塑料光纤10放置在v槽阵列的金属光栅振幅掩模板12下，在机械压模装置11的压力作用下，光纤内部的应力场发生改变，因弹光效应使折射率受到周期性调制，表面则形成与金属光栅振幅掩模板同周期的v槽阵列，从而实现长周期塑料光纤光栅探头的制备。

图4所示为长周期塑料光纤光栅探头4的几种结构参数：光栅长度、光栅周期、v槽深度和v槽角度。通过实验，择优选取长周期塑料光纤光栅探头4的光栅长度为20mm，光栅周期为100μm，v槽深度为60μm，v槽角度为60°。

该传感器的折射率传感范围1.333～1.460，其传感灵敏度s可通过测量透过率t与折射率n关系曲线的斜率得到，其表达式为：

通过计算，该传感器的灵敏度s在折射率范围1.333≤n≤1.410和1.410≤n≤1.460分别可达803.10％/riu和1232.60％/riu，分辨率分别为4.11×10^-4riu和2.68×10^-4riu，线性相关系数r分别99.80％和99.72％。