一种双通道分布式传感检测装置的制造方法
一种双通道分布式传感检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及利用微纳光纤的，一种双通道分布式传 感检测装置。
【背景技术】
[0002]表面等离子体共振（SurfacePlasmonResonance，SPR)指的是当光入射到介质金 属交界面，并且光波沿着金属交界面的波矢分量与SPR的波矢匹配时，光子引起金属表面 自由电子振荡的一种现象。在振荡的过程中，光波的能量转化为自由电子的振荡能量，因此 可以引起光场强度的强烈衰减，并在反射光谱或者透射光谱上共振波长的位置出现明显的 吸收峰。SPR是通过测量金属表面附近折射率的变化来研宄物质的性质。
[0003] 将光纤与SPR效应结合可构成光纤SPR传感器，这里光纤既可以作为光的传输介 质又能作为激发SPR效应的基体，因此光纤SPR传感器具有较好的集成性、便于实现长距 离的传输检测、适合实时监测等优点。光纤SPR传感器所能进行的折射率检测有一定的检 测范围，为扩大光纤SPR传感器的检测范围人们对光纤SPR传感器多通道检测进行了研宄， 2012年RoliVerma(Proc.ofSPIEVol.8351)等人利用分别镀金膜与银膜的两个敏感区域 的光纤传感器，实现了双通道的分析检测。但是该传感器是探针结构只能进行针对性的传 感检测，不能进行分布式检测。
[0004] 普通光纤SPR传感器是通过利用在纤芯中传播的光来激发金属传感膜的表面等 离子体共振进行检测，所以要对光纤进行加工，例如侧面抛磨去包层、腐蚀去包层、拉锥等， 导致不易制作，传感部分结构复杂。而利用微纳光纤进行SPR传感器制作时，不需要对光纤 进行处理，直接镀膜即可，结构简单，易于实现。而且微纳光纤极低的传输损耗与弯曲损耗 低和较强倏逝场等光学特性，使在微纳光纤中传播的光更易于激发表面等离子体共振。
[0005] 基于表面等离子体共振的光纤传感器具有体积小，重量轻便，可弯折，适用于复杂 环境信号不易受外界因素的影响等优点。但是目前基于普通光纤的SPR传感器，结构复杂， 不易实现在线分布式传感。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种体积小、结构简单，信号抗干扰强，抗电磁干扰强的，一 种双通道分布式传感检测装置。
[0007]一种双通道分布式传感检测装置，包括光源1、单模光纤2、微纳光纤3、光纤拉伸 装置4、位于微纳光纤外表面的第一传感膜5、位于微纳光纤外表面的第二传感膜6和探测 器7,单模光纤2的一端与微纳光纤3的一端错芯焊接，微纳光纤3上连接光纤拉伸装置4， 微纳光纤3的另一端和探测器7相连；
[0008] 光源1发出的光耦合入单模光纤2,经过单模光纤2与微纳光纤3的错芯焊接处， 激励起LPn模式并在微纳光纤3中传播，调节光纤拉伸装置4使在微纳光纤中传播的LPw 模式和LPn模式发生模式干涉产生周期性光场，将光场光斑与第一传感膜5重合，在第一传 感膜5处激发表面等离子共振；
[0009] 进一步调节光纤拉伸装置4使光场光斑与第二传感膜6重合，在第二传感膜6处 激发表面等离子体共振，从而产生双通道分布式传感，探测器7用于接收光信号进行检测。
[0010] 本发明一种双通道分布式传感检测装置，还可以包括：
[0011] 1、第一传感膜5至少为两个，第二传感膜6至少为两个，第一传感膜5和第二传感 膜6交替间隔排布，相邻的第一传感膜5和第二传感膜6之间的间距为UV模式和LP^模 式发生模式干涉而产生周期性光场拍长的整数倍。
[0012] 2、微纳光纤3的直径为1-2 ym。
[0013] 3、第一传感膜5和第二传感膜6是金属膜，第一传感膜5和第二传感膜6的厚度 为30-100nm，第一传感膜5和第二传感膜6的长度为UV模式和LPn模式发生模式干涉而 产生周期性光场拍长的一半。
[0014] 有益效果：
[0015] 本发明的结构简单、体积小，将普通光纤SPR传感与微纳光纤相结合，利用L&模 式与^^模式在微纳光纤中干涉所产生的周期性光场，分别激发第一和第二传感膜的SPR 效应，可实现双通道分布式传感。
[0016] 本发明将SPR传感与微纳光纤相结合，利用微纳光纤中UV模式和LP1:模式发生 干涉产生的周期性光场分别激发第一传感膜与第二传感膜使其产生等离子体共振效应，实 现普通光纤SPR传感与单一微纳光纤所无法单独产生的在线双通道分布式传感。既包含了 光纤SPR传感器的优点，传感部分体积更小，信号不易受到光源波动、机械结构等外界因素 的影响，抗电磁干扰能力强，检测系统简单，又发挥了微纳光纤的优点。
[0017] 本发明利用了微纳光纤不需对光纤进行处理可以直接镀膜的优点，使得传感器结 构简单，并易于实现分布式传感；利用微纳光纤中UV与LPn两种模式干涉所产生的周期 性光场，可进行双通道检测；利用微纳光纤的强倏逝场，更易于激发表面等离子体共振。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明双通道分布式传感检测装置的结构示意图。
[0019] 图2为相位差A<J)在0到2JT之间变化时，输出光强的分布形式。
[0020] 图3为双通道分布式传感检测装置几何光学原理示意图。
[0021] 图4为周期性光场光斑在传感膜处激发SPR示意图。
[0022] 图5为本发明双通道分布式传感检测装置折射率测试系统示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面降结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0024] 本发明提供一种双通道分布式传感检测装置。该传感器由光源、单模光纤、微纳光 纤、光纤拉伸装置、第一传感膜、第二传感膜、探测器组成。其中传感部分由微纳光纤与第一 传感膜和第二传感膜组成。光源发出的光经单模光纤与微纳光纤错芯焊接后激励起^^模 式，通过调节光纤拉伸装置来拉伸光纤以改变UV模式与LPn模式在微纳光纤中传播的光 程，从而调节两个模式的相位使两个模式发生干涉而产生周期性光场，利用所产生的周期 性光场可分别激发第一、第二传感膜产生表面等离子体共振效应，进行传感。本发明的结构 简单、体积小，将普通光纤SPR传感与微纳光纤相结合，利用UV模式与LPn模式在微纳光 纤中干涉所产生的周期性光场，分别激发第一和第二传感膜的SPR效应，可实现双通道分 布式传感。
[0025] 本发明所提出的一种双通道分布式传感检测装置是这样实现的：
[0026] 它包括光源1、单模光纤2、微纳光纤3、光纤拉伸装置4、位于微纳光纤外表面上的 第一传感膜5、位于微纳光纤外表面上的第二传感膜6、探测器7,光源1发出的光耦合入单 模光纤2,经过单模光纤2另一端与微纳光纤3 -端错芯焊接处，激励起LPn模式并在微纳 光纤3中传播，通过调节光纤拉伸装置4使在微纳光纤中传播的UV模式和LP:1模式发生 模式干涉而产生周期性光场，将光场亮斑与第一传感膜5重合，在第一传感膜5处激发表面 等离子共振，进一步调节光纤拉伸装置4使光场亮斑与第二传感膜6重合，在第二传感膜6 处激发表面等离子体共振，从而产生双通道分布式传感，微纳光纤3另一端与探测器7连 接，通过探测器7接收光信号进行检测，如图1所示。
[0027] 第一传感膜5和第二传感膜6之间存在一定间距且间隔排布，相邻的第一传感膜 5和第二传感膜6之间的间距为L&模式和LPn模式发生模式干涉而产生周期性光场拍长 的整数倍。
[0028] 所述的微纳光纤的直径为1-2ym。
[0029] 所述的微纳光纤上所镀的传感膜是金属膜，传感膜的厚度为30-100nm，传感膜的 长度为UV模式和LP:1模式发生模式干涉而产生周期性光场拍长的一半。
[0030] 本发明是基于如下原理：
[0031] 根据光波导理论，入射光以基模UV模在单模光纤中传输 过程中的幅值集中在纤 芯轴线，而将微纳光纤与单模光纤错芯焊接后，微纳光纤不能完全接收基模的所有能量，此 时由单模光纤传输给微纳光纤的能量会衰减，入射光为能够稳定地在微纳光纤中传输就会 以微纳光纤可容纳的模式在微纳光纤中传输。微纳光纤的模场分布可以通过改变其直径来 控制，本发明选取可容纳基模UV模与LPn模传输的微纳光纤来进行SPR传感器的制作。
[0032] 错芯焊接的方式使光从单模光纤传播到微纳光纤的过程中既存在UV模又产生 了 ^^模。当光纤中存在多种模式时，通过光纤传输后可能会出现光场的叠加，这种现象称 之为模间干涉。当光纤中只传输UV模和LP:1模，则这两个模式的叠加是在光纤输出端得 到的干涉场，其干涉输出光强为：
[0034] 式中知为LPQ1模和LP^模在光纤中传输后的相位差，
A|3为LP。^ 和LPn模的传输常数差，A0 = 0 Q1-f3n，AL为光纤长度的变化量，EQ1、En--分别为 UV模和LP:1模的模场函数。
[0035] 由公式可知，相位差Af的变化会引起光纤输出的干涉光强发生变化。当光纤受到 外部扰动作用时，例如拉伸光纤产生AL，而导致
发生变化从而引起两个模间干 涉输出光斑的能量交换。如图2所示，模间相位差在0到2JI之间变化时，干涉输出光强的 分布形式。
[0036] 根据几何光学，基模是在光纤的中心轴线上传播，而高阶模则是在光纤中以全反 射的方式在光纤中传播。如图3所示，UV模在光纤的轴线上传播，而LPn模以图3所示的 实线一样在光纤中以全反射的方式在光纤中传播，拉伸光纤使其长度U，UV模与LPn模相 位差为0时，两模式发生干涉，从而产生周期性光场。如图4所示，此时所产生的周期性光 场光斑9激发第一传感膜5产生SPR进行传感。再使用光纤拉伸装置对光纤进行拉伸，光 纤的长度1^2，光纤的长度变化为AL。UV模依然在光纤的轴线上传播，而由于拉伸光纤会 产生相位差，此时UV模与LPn模的相位差为JT，从而引起两模式光程的改变，LPn模会以 图3所示的虚线一样在光纤中以全反射的方式在光纤中传播，这时UV模与LP:1模之间干 涉引起的周期性光场光斑的位置也会发生移动，如图4所示光斑变为10,激发第二传感膜 6产生SPR进行传感。通过探测器观察测量共振峰的位置变化来进行周围物质物理量的传 感，从而进行双通道分布式传感检测。
[0037] 本发明可以通过以下的方式实现：
[0038] 取一段单模光纤，将其一端与光源耦合，另一端进行端面切割加工处理；再取一段 微纳光纤，将其一端同样进行切割加工；将单模光纤与微纳光纤进行过切割加工的端面利 用光纤熔接机进行错芯焊接。在微纳光纤上连接光纤拉伸装置，并镀第一传感膜与第二传 感膜；微纳光纤的另一端则与探测器连接。如图1所示。
[0039] 实施例一：双通道分布式传感检测装置的制作。制作步骤如下：
[0040] 1、取lm长单模光纤，利用光纤剥线钳剥除单模光纤一端的涂覆层25mm，用酒精将 光纤包层清洗干净。
[0041] 2、用光纤切割刀对单模光纤处理过的部分进行切割，形成平整的端面。
[0042] 3、将单模光纤插入裸纤适配器中，将裸纤适配器接入波长633nm固体激光光源输 出接口。
[0043] 4、取一段直径为1. 5ym微纳光纤，利用离子溅射真空镀膜技术对微纳光纤镀金 膜，为第一传感膜，利用光学微加工技术在光纤表面形成长度为12ym的金膜，感膜厚度均 为 50nm〇
[0044] 5、利用离子溅射真空镀膜技术对微纳光纤镀银膜，为第二传感膜，利用光学微 加工技术在光纤表面形成长度为12ym的银膜，第一传感膜与第二传感膜之间交替相隔 2. 4mm，传感膜厚度均为50nm。
[0045] 6、单模光纤另一端经过涂覆层剥除、清洗、切割后放入光纤焊接机中，微纳光纤另 一端经过清洗、切割后也放入光纤焊接机中，使用光纤焊接机对单模光纤与微纳光纤进行 错芯焊接。
[0046] 7、在微纳光纤上连接光纤拉伸装置。
[0047] 8、用酒精将微纳光纤清洗干净，用光纤切割刀将光纤端面切平。
[0048] 9、微纳光纤插入裸纤适配器中，将裸纤适配器接入信号探测器。
[0049] 实施例二：利用双通道分布式传感检测装置测量不同物质的折射率。
[0050] 图5为利用双通道分布式传感检测装置折射率测试系统。光源1发出的光经过单 模光纤1耦合到微纳光纤3中，使光纤中同时存在UV模与LP:1模，通过调节光纤拉伸装置 4可使UV模与LPn模产生模式干涉而产生周期性光场并可以移动分别激发传感膜5和6， 将传感部分5和6置于待测物质溶液8中，入射光可以在传感膜处产生SPR，对某一特定波 长的光产生吸收，再经微纳光纤由探测器7探测光谱。
[0051] 在理论研宄的基础上，运用搭建的光纤检测系统，制作不同传感膜可实现不同物 质折射率的测量。
【主权项】
1. 一种双通道分布式传感检测装置，其特征在于：包括光源（I)、单模光纤（2)、微纳光 纤（3)、光纤拉伸装置（4)、位于微纳光纤外表面的第一传感膜（5)、位于微纳光纤外表面的 第二传感膜（6)和探测器（7)，单模光纤（2)的一端与微纳光纤（3)的一端错芯焊接，微纳 光纤（3)上连接光纤拉伸装置（4)，微纳光纤（3)的另一端和探测器（7)相连； 光源（1)发出的光耦合入单模光纤（2)，经过单模光纤（2)与微纳光纤（3)的错芯焊 接处，激励起LP11模式并在微纳光纤（3)中传播，调节光纤拉伸装置（4)使在微纳光纤中传 播的LPtll模式和LP11模式发生模式干涉产生周期性光场，将光场光斑与第一传感膜（5)重 合，在第一传感膜（5)处激发表面等离子共振； 进一步调节光纤拉伸装置（4)使光场光斑与第二传感膜（6)重合，在第二传感膜（6) 处激发表面等离子体共振，从而产生双通道分布式传感，探测器（7)用于接收光信号进行 检测。2. 根据权利要求1所述的一种双通道分布式传感检测装置，其特征在于：所述的第一 传感膜（5)至少为两个，第二传感膜（6)至少为两个，第一传感膜（5)和第二传感膜（6)交 替间隔排布，相邻的第一传感膜（5)和第二传感膜（6)之间的间距为LPtll模式和LP11模式 发生模式干涉而产生周期性光场拍长的整数倍。3. 根据权利要求1所述的一种双通道分布式传感检测装置，其特征在于：所述的微纳 光纤⑶的直径为1_2ym。4. 根据权利要求1所述的一种双通道分布式传感检测装置，其特征在于：所述的第 一传感膜（5)和第二传感膜（6)是金属膜，第一传感膜（5)和第二传感膜（6)的厚度为 30-100nm，第一传感膜（5)和第二传感膜（6)的长度为LPtll模式和LP11模式发生模式干涉 而产生周期性光场拍长的一半。
【专利摘要】本发明公开了一种双通道分布式传感检测装置，包括光源、单模光纤、微纳光纤、光纤拉伸装置、第一传感膜、第二传感膜和探测器；光源发出的光耦合入单模光纤，经过单模光纤与微纳光纤的错芯焊接处，激励起LP11模式并在微纳光纤中传播，调节光纤拉伸装置使在微纳光纤中传播的LP01模式和LP11模式发生模式干涉产生周期性光场，将光场光斑与第一传感膜重合，在第一传感膜处激发表面等离子共振；进一步调节光纤拉伸装置使光场光斑与第二传感膜重合，在第二传感膜处激发表面等离子体共振，从而产生双通道分布式传感，探测器用于接收光信号进行检测。本发明具有体积小、结构简单，信号抗干扰能力强的优点。
【IPC分类】G01N21/552
【公开号】CN104897618
【申请号】CN201510312470
【发明人】刘志海, 徐妍, 赵恩铭, 张羽, 张亚勋, 苑立波
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月9日
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及利用微纳光纤的，一种双通道分布式传 感检测装置。
【背景技术】
[0002]表面等离子体共振（SurfacePlasmonResonance，SPR)指的是当光入射到介质金 属交界面，并且光波沿着金属交界面的波矢分量与SPR的波矢匹配时，光子引起金属表面 自由电子振荡的一种现象。在振荡的过程中，光波的能量转化为自由电子的振荡能量，因此 可以引起光场强度的强烈衰减，并在反射光谱或者透射光谱上共振波长的位置出现明显的 吸收峰。SPR是通过测量金属表面附近折射率的变化来研宄物质的性质。
[0003] 将光纤与SPR效应结合可构成光纤SPR传感器，这里光纤既可以作为光的传输介 质又能作为激发SPR效应的基体，因此光纤SPR传感器具有较好的集成性、便于实现长距 离的传输检测、适合实时监测等优点。光纤SPR传感器所能进行的折射率检测有一定的检 测范围，为扩大光纤SPR传感器的检测范围人们对光纤SPR传感器多通道检测进行了研宄， 2012年RoliVerma(Proc.ofSPIEVol.8351)等人利用分别镀金膜与银膜的两个敏感区域 的光纤传感器，实现了双通道的分析检测。但是该传感器是探针结构只能进行针对性的传 感检测，不能进行分布式检测。
[0004] 普通光纤SPR传感器是通过利用在纤芯中传播的光来激发金属传感膜的表面等 离子体共振进行检测，所以要对光纤进行加工，例如侧面抛磨去包层、腐蚀去包层、拉锥等， 导致不易制作，传感部分结构复杂。而利用微纳光纤进行SPR传感器制作时，不需要对光纤 进行处理，直接镀膜即可，结构简单，易于实现。而且微纳光纤极低的传输损耗与弯曲损耗 低和较强倏逝场等光学特性，使在微纳光纤中传播的光更易于激发表面等离子体共振。
[0005] 基于表面等离子体共振的光纤传感器具有体积小，重量轻便，可弯折，适用于复杂 环境信号不易受外界因素的影响等优点。但是目前基于普通光纤的SPR传感器，结构复杂， 不易实现在线分布式传感。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种体积小、结构简单，信号抗干扰强，抗电磁干扰强的，一 种双通道分布式传感检测装置。
[0007]一种双通道分布式传感检测装置，包括光源1、单模光纤2、微纳光纤3、光纤拉伸 装置4、位于微纳光纤外表面的第一传感膜5、位于微纳光纤外表面的第二传感膜6和探测 器7,单模光纤2的一端与微纳光纤3的一端错芯焊接，微纳光纤3上连接光纤拉伸装置4， 微纳光纤3的另一端和探测器7相连；
[0008] 光源1发出的光耦合入单模光纤2,经过单模光纤2与微纳光纤3的错芯焊接处， 激励起LPn模式并在微纳光纤3中传播，调节光纤拉伸装置4使在微纳光纤中传播的LPw 模式和LPn模式发生模式干涉产生周期性光场，将光场光斑与第一传感膜5重合，在第一传 感膜5处激发表面等离子共振；
[0009] 进一步调节光纤拉伸装置4使光场光斑与第二传感膜6重合，在第二传感膜6处 激发表面等离子体共振，从而产生双通道分布式传感，探测器7用于接收光信号进行检测。
[0010] 本发明一种双通道分布式传感检测装置，还可以包括：
[0011] 1、第一传感膜5至少为两个，第二传感膜6至少为两个，第一传感膜5和第二传感 膜6交替间隔排布，相邻的第一传感膜5和第二传感膜6之间的间距为UV模式和LP^模 式发生模式干涉而产生周期性光场拍长的整数倍。
[0012] 2、微纳光纤3的直径为1-2 ym。
[0013] 3、第一传感膜5和第二传感膜6是金属膜，第一传感膜5和第二传感膜6的厚度 为30-100nm，第一传感膜5和第二传感膜6的长度为UV模式和LPn模式发生模式干涉而 产生周期性光场拍长的一半。
[0014] 有益效果：
[0015] 本发明的结构简单、体积小，将普通光纤SPR传感与微纳光纤相结合，利用L&模 式与^^模式在微纳光纤中干涉所产生的周期性光场，分别激发第一和第二传感膜的SPR 效应，可实现双通道分布式传感。
[0016] 本发明将SPR传感与微纳光纤相结合，利用微纳光纤中UV模式和LP1:模式发生 干涉产生的周期性光场分别激发第一传感膜与第二传感膜使其产生等离子体共振效应，实 现普通光纤SPR传感与单一微纳光纤所无法单独产生的在线双通道分布式传感。既包含了 光纤SPR传感器的优点，传感部分体积更小，信号不易受到光源波动、机械结构等外界因素 的影响，抗电磁干扰能力强，检测系统简单，又发挥了微纳光纤的优点。
[0017] 本发明利用了微纳光纤不需对光纤进行处理可以直接镀膜的优点，使得传感器结 构简单，并易于实现分布式传感；利用微纳光纤中UV与LPn两种模式干涉所产生的周期 性光场，可进行双通道检测；利用微纳光纤的强倏逝场，更易于激发表面等离子体共振。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明双通道分布式传感检测装置的结构示意图。
[0019] 图2为相位差A<J)在0到2JT之间变化时，输出光强的分布形式。
[0020] 图3为双通道分布式传感检测装置几何光学原理示意图。
[0021] 图4为周期性光场光斑在传感膜处激发SPR示意图。
[0022] 图5为本发明双通道分布式传感检测装置折射率测试系统示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面降结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0024] 本发明提供一种双通道分布式传感检测装置。该传感器由光源、单模光纤、微纳光 纤、光纤拉伸装置、第一传感膜、第二传感膜、探测器组成。其中传感部分由微纳光纤与第一 传感膜和第二传感膜组成。光源发出的光经单模光纤与微纳光纤错芯焊接后激励起^^模 式，通过调节光纤拉伸装置来拉伸光纤以改变UV模式与LPn模式在微纳光纤中传播的光 程，从而调节两个模式的相位使两个模式发生干涉而产生周期性光场，利用所产生的周期 性光场可分别激发第一、第二传感膜产生表面等离子体共振效应，进行传感。本发明的结构 简单、体积小，将普通光纤SPR传感与微纳光纤相结合，利用UV模式与LPn模式在微纳光 纤中干涉所产生的周期性光场，分别激发第一和第二传感膜的SPR效应，可实现双通道分 布式传感。
[0025] 本发明所提出的一种双通道分布式传感检测装置是这样实现的：
[0026] 它包括光源1、单模光纤2、微纳光纤3、光纤拉伸装置4、位于微纳光纤外表面上的 第一传感膜5、位于微纳光纤外表面上的第二传感膜6、探测器7,光源1发出的光耦合入单 模光纤2,经过单模光纤2另一端与微纳光纤3 -端错芯焊接处，激励起LPn模式并在微纳 光纤3中传播，通过调节光纤拉伸装置4使在微纳光纤中传播的UV模式和LP:1模式发生 模式干涉而产生周期性光场，将光场亮斑与第一传感膜5重合，在第一传感膜5处激发表面 等离子共振，进一步调节光纤拉伸装置4使光场亮斑与第二传感膜6重合，在第二传感膜6 处激发表面等离子体共振，从而产生双通道分布式传感，微纳光纤3另一端与探测器7连 接，通过探测器7接收光信号进行检测，如图1所示。
[0027] 第一传感膜5和第二传感膜6之间存在一定间距且间隔排布，相邻的第一传感膜 5和第二传感膜6之间的间距为L&模式和LPn模式发生模式干涉而产生周期性光场拍长 的整数倍。
[0028] 所述的微纳光纤的直径为1-2ym。
[0029] 所述的微纳光纤上所镀的传感膜是金属膜，传感膜的厚度为30-100nm，传感膜的 长度为UV模式和LP:1模式发生模式干涉而产生周期性光场拍长的一半。
[0030] 本发明是基于如下原理：
[0031] 根据光波导理论，入射光以基模UV模在单模光纤中传输 过程中的幅值集中在纤 芯轴线，而将微纳光纤与单模光纤错芯焊接后，微纳光纤不能完全接收基模的所有能量，此 时由单模光纤传输给微纳光纤的能量会衰减，入射光为能够稳定地在微纳光纤中传输就会 以微纳光纤可容纳的模式在微纳光纤中传输。微纳光纤的模场分布可以通过改变其直径来 控制，本发明选取可容纳基模UV模与LPn模传输的微纳光纤来进行SPR传感器的制作。
[0032] 错芯焊接的方式使光从单模光纤传播到微纳光纤的过程中既存在UV模又产生 了 ^^模。当光纤中存在多种模式时，通过光纤传输后可能会出现光场的叠加，这种现象称 之为模间干涉。当光纤中只传输UV模和LP:1模，则这两个模式的叠加是在光纤输出端得 到的干涉场，其干涉输出光强为：
[0034] 式中知为LPQ1模和LP^模在光纤中传输后的相位差，
A|3为LP。^ 和LPn模的传输常数差，A0 = 0 Q1-f3n，AL为光纤长度的变化量，EQ1、En--分别为 UV模和LP:1模的模场函数。
[0035] 由公式可知，相位差Af的变化会引起光纤输出的干涉光强发生变化。当光纤受到 外部扰动作用时，例如拉伸光纤产生AL，而导致
发生变化从而引起两个模间干 涉输出光斑的能量交换。如图2所示，模间相位差在0到2JI之间变化时，干涉输出光强的 分布形式。
[0036] 根据几何光学，基模是在光纤的中心轴线上传播，而高阶模则是在光纤中以全反 射的方式在光纤中传播。如图3所示，UV模在光纤的轴线上传播，而LPn模以图3所示的 实线一样在光纤中以全反射的方式在光纤中传播，拉伸光纤使其长度U，UV模与LPn模相 位差为0时，两模式发生干涉，从而产生周期性光场。如图4所示，此时所产生的周期性光 场光斑9激发第一传感膜5产生SPR进行传感。再使用光纤拉伸装置对光纤进行拉伸，光 纤的长度1^2，光纤的长度变化为AL。UV模依然在光纤的轴线上传播，而由于拉伸光纤会 产生相位差，此时UV模与LPn模的相位差为JT，从而引起两模式光程的改变，LPn模会以 图3所示的虚线一样在光纤中以全反射的方式在光纤中传播，这时UV模与LP:1模之间干 涉引起的周期性光场光斑的位置也会发生移动，如图4所示光斑变为10,激发第二传感膜 6产生SPR进行传感。通过探测器观察测量共振峰的位置变化来进行周围物质物理量的传 感，从而进行双通道分布式传感检测。
[0037] 本发明可以通过以下的方式实现：
[0038] 取一段单模光纤，将其一端与光源耦合，另一端进行端面切割加工处理；再取一段 微纳光纤，将其一端同样进行切割加工；将单模光纤与微纳光纤进行过切割加工的端面利 用光纤熔接机进行错芯焊接。在微纳光纤上连接光纤拉伸装置，并镀第一传感膜与第二传 感膜；微纳光纤的另一端则与探测器连接。如图1所示。
[0039] 实施例一：双通道分布式传感检测装置的制作。制作步骤如下：
[0040] 1、取lm长单模光纤，利用光纤剥线钳剥除单模光纤一端的涂覆层25mm，用酒精将 光纤包层清洗干净。
[0041] 2、用光纤切割刀对单模光纤处理过的部分进行切割，形成平整的端面。
[0042] 3、将单模光纤插入裸纤适配器中，将裸纤适配器接入波长633nm固体激光光源输 出接口。
[0043] 4、取一段直径为1. 5ym微纳光纤，利用离子溅射真空镀膜技术对微纳光纤镀金 膜，为第一传感膜，利用光学微加工技术在光纤表面形成长度为12ym的金膜，感膜厚度均 为 50nm〇
[0044] 5、利用离子溅射真空镀膜技术对微纳光纤镀银膜，为第二传感膜，利用光学微 加工技术在光纤表面形成长度为12ym的银膜，第一传感膜与第二传感膜之间交替相隔 2. 4mm，传感膜厚度均为50nm。
[0045] 6、单模光纤另一端经过涂覆层剥除、清洗、切割后放入光纤焊接机中，微纳光纤另 一端经过清洗、切割后也放入光纤焊接机中，使用光纤焊接机对单模光纤与微纳光纤进行 错芯焊接。
[0046] 7、在微纳光纤上连接光纤拉伸装置。
[0047] 8、用酒精将微纳光纤清洗干净，用光纤切割刀将光纤端面切平。
[0048] 9、微纳光纤插入裸纤适配器中，将裸纤适配器接入信号探测器。
[0049] 实施例二：利用双通道分布式传感检测装置测量不同物质的折射率。
[0050] 图5为利用双通道分布式传感检测装置折射率测试系统。光源1发出的光经过单 模光纤1耦合到微纳光纤3中，使光纤中同时存在UV模与LP:1模，通过调节光纤拉伸装置 4可使UV模与LPn模产生模式干涉而产生周期性光场并可以移动分别激发传感膜5和6， 将传感部分5和6置于待测物质溶液8中，入射光可以在传感膜处产生SPR，对某一特定波 长的光产生吸收，再经微纳光纤由探测器7探测光谱。
[0051] 在理论研宄的基础上，运用搭建的光纤检测系统，制作不同传感膜可实现不同物 质折射率的测量。
【主权项】
1. 一种双通道分布式传感检测装置，其特征在于：包括光源（I)、单模光纤（2)、微纳光 纤（3)、光纤拉伸装置（4)、位于微纳光纤外表面的第一传感膜（5)、位于微纳光纤外表面的 第二传感膜（6)和探测器（7)，单模光纤（2)的一端与微纳光纤（3)的一端错芯焊接，微纳 光纤（3)上连接光纤拉伸装置（4)，微纳光纤（3)的另一端和探测器（7)相连； 光源（1)发出的光耦合入单模光纤（2)，经过单模光纤（2)与微纳光纤（3)的错芯焊 接处，激励起LP11模式并在微纳光纤（3)中传播，调节光纤拉伸装置（4)使在微纳光纤中传 播的LPtll模式和LP11模式发生模式干涉产生周期性光场，将光场光斑与第一传感膜（5)重 合，在第一传感膜（5)处激发表面等离子共振； 进一步调节光纤拉伸装置（4)使光场光斑与第二传感膜（6)重合，在第二传感膜（6) 处激发表面等离子体共振，从而产生双通道分布式传感，探测器（7)用于接收光信号进行 检测。2. 根据权利要求1所述的一种双通道分布式传感检测装置，其特征在于：所述的第一 传感膜（5)至少为两个，第二传感膜（6)至少为两个，第一传感膜（5)和第二传感膜（6)交 替间隔排布，相邻的第一传感膜（5)和第二传感膜（6)之间的间距为LPtll模式和LP11模式 发生模式干涉而产生周期性光场拍长的整数倍。3. 根据权利要求1所述的一种双通道分布式传感检测装置，其特征在于：所述的微纳 光纤⑶的直径为1_2ym。4. 根据权利要求1所述的一种双通道分布式传感检测装置，其特征在于：所述的第 一传感膜（5)和第二传感膜（6)是金属膜，第一传感膜（5)和第二传感膜（6)的厚度为 30-100nm，第一传感膜（5)和第二传感膜（6)的长度为LPtll模式和LP11模式发生模式干涉 而产生周期性光场拍长的一半。
【专利摘要】本发明公开了一种双通道分布式传感检测装置，包括光源、单模光纤、微纳光纤、光纤拉伸装置、第一传感膜、第二传感膜和探测器；光源发出的光耦合入单模光纤，经过单模光纤与微纳光纤的错芯焊接处，激励起LP11模式并在微纳光纤中传播，调节光纤拉伸装置使在微纳光纤中传播的LP01模式和LP11模式发生模式干涉产生周期性光场，将光场光斑与第一传感膜重合，在第一传感膜处激发表面等离子共振；进一步调节光纤拉伸装置使光场光斑与第二传感膜重合，在第二传感膜处激发表面等离子体共振，从而产生双通道分布式传感，探测器用于接收光信号进行检测。本发明具有体积小、结构简单，信号抗干扰能力强的优点。
【IPC分类】G01N21/552
【公开号】CN104897618
【申请号】CN201510312470
【发明人】刘志海, 徐妍, 赵恩铭, 张羽, 张亚勋, 苑立波
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月9日
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