基于碳納米材料少模長周期光纖光柵的測量方法及傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖傳感檢測技術領域。具體講，涉及基于碳納米材料少模長周期光纖光柵的測量方法及傳感器。
【背景技術】
[0002]普通光纖布拉格光柵傳感器(FBG)是通過外界物質參量(如溫度、應力、振動等)對光纖光柵諧振波長的影響獲得傳感信息的一種波長調制型光纖傳感器，現有的FBG傳感器件對溫度、應力、應變、振動的變化量都比較敏感，但是對包圍在光纖光柵周圍物質的折射率、酸堿度、濃度等變量卻缺乏敏感性，因此，在生物、化學、環境等領域的應用受到限制。而長周期光纖光柵(LPFG)傳感器則是通過纖芯導模與同向傳輸的包層模之間的耦合共振，使部分能量耦合到包層中傳輸，這些共振模在包層中傳輸并衰減形成透射譜中的多個衰減峰，當光柵周圍的待測物質特性發生變化時，衰減峰的波長隨之產生漂移。研宄結果表明，對不同的物理參量，這些諧振峰的變化敏感度有所不同，因此可以實現高精度、多參量的傳感檢測。
[0003]目前國內外大部分長周期光纖光柵傳感器都是在單模光纖中寫入光柵，受光纖結構限制，芯模能量中用于傳感信息的模式能量效率不高，因此傳感器的敏感度較低。人們為了提高光纖光柵傳感器的敏感度做過許多改進，如對光纖光柵的包層進行蝕刻減薄、采用高折射率的有機聚合物薄膜覆蓋LPFG表面、采用納米材料覆蓋在LPFG表面等，這些方法各有所長，但都無法改變光纖結構對敏感度限制的本質。也有部分人開展少模光纖布拉格光柵(FM-FBG)傳感器的研宄，但由于結構設計簡單，少模光纖光柵的制備工藝還不完善，耦合效率依然不高，傳感靈敏度提高不明顯。

【發明內容】

[0004]為克服技術的不足，實現對外界環境物質高精度、高靈敏度的傳感測量，并突破現有的傳感靈敏度。為此，本發明采取的技術方案是，基于碳納米材料少模長周期光纖光柵的傳感器，包括模式轉換少模長周期光纖光柵和蝕刻減薄涂覆碳納米纖維的少模長周期光纖光柵傳感器兩個模塊，兩個模塊級聯在一起，入射光輸入到模式轉換少模長周期光纖光柵，使LPOl基模的能量轉移到LP02高階模上，然后通過少模長周期光纖光柵傳感器，使LP02高階模與包層中的低階模式耦合來傳感外界物質折射率的變化。
[0005]基于碳納米材料少模長周期光纖光柵的測量方法，將模式轉換少模長周期光纖光柵和蝕刻減薄涂覆碳納米纖維的少模長周期光纖光柵傳感器級聯在一起，入射光輸入到模式轉換模塊，使LPOl基模的能量轉移到LP02高階模上，然后通過少模長周期光纖光柵FM-LPFG傳感器，使LP02高階模與包層中的低階模式耦合來傳感外界物質折射率的變化，反映在透射譜中波長會發生漂移，建立折射率變化對波長變化量的關系，實現對外界待測物質的傳感測量。
[0006]蝕刻減薄涂覆碳納米纖維的少模長周期光纖光柵傳感器的制造方法是，第一步:首先采用飛秒激光器將周期為Λ2，范圍在300?600 μπι之間，的長周期光纖光柵寫入少模光纖中；
[0007]第二步:將少模光纖兩端固定在勻速轉動的兩個旋轉軸之間，使其剛好和HF酸溶液表面相接觸，在液體表面張力的作用下使酸液裹覆在光纖包層上，旋轉光纖使腐蝕掉落的S12及時脫離光纖表面，均衡光纖的刻蝕速度，保證刻蝕后的光纖光柵包層厚度均勻一致，之后需要對包層腐蝕后的FM-LPFG做NaOH溶液處理，防止殘留的HF酸進一步腐蝕包層；
[0008]第三步:采用外加磁場誘導Fe3O4/碳納米纖維排列整齊，規則地沉積在蝕刻后的少模光纖光柵上。
[0009]與已有技術相比，本發明的技術特點與效果:
[0010]相比于現有的技術，本研宄將從兩個方面提高并突破現有的傳感靈敏度。
[0011](I)通過提高模式耦合效率來提高傳感靈敏度:本發明設計了一個級聯的少模長周期光纖光柵器件，先利用周期為Λ丄為430 μ m的FM-LPFG將入射光的能量從基模轉換到LP02模上，器件的理論轉換效率可以達到90%，LP02模的光進入周期為A2、并進行了蝕刻和碳納米纖維涂覆的傳感器之后，其能量直接與包層模上形成共振耦合模，在傳感器周圍被測物質的影響下，共振耦合模的波長發生變化，直接反映在透射光譜中的衰減峰波長變化上。由于模式耦合和轉換效率的提高，長周期光纖光柵的透射光譜衰減峰的峰值凹陷更深，對被測物質物理量的改變更加敏感，再加上兩個光纖模塊纖芯尺寸相同，避免了連接耦合損耗，也進一步提高了器件的傳感靈敏度。
[0012](2)通過對加入Fe3O4/碳納米管復合納米材料加以磁場誘導，使碳納米纖維規則排布在光纖光柵表面，提高了傳感器件對待測物質的吸附能力，從而進一步提高了傳感器的靈敏度。
【附圖說明】
[0013]為了更清楚地說明本發明的技術方法，下面將對實施方法中所需使用的附圖作簡單介紹:
[0014]圖1為少模長周期光纖光柵傳感器的制作流程示意圖。
[0015]圖中:
[0016]1-1少模長周期光纖光柵1-2 HF酸腐蝕后做NaOH溶液處理的少模長周期光纖光柵1-3覆蓋碳納米纖維的少模長周期光纖光柵
[0017]圖2為化學濕法腐蝕少模長周期光纖光柵包層裝置示意圖。
[0018]圖中:
[0019]2-1腐蝕槽2-2旋轉軸
[0020]2-3少模長周期光纖光柵2-4HF酸腐蝕液
[0021]圖3是集成化的高靈敏級聯少模長周期光纖光柵傳感器示意圖。
[0022]圖中:
[0023]3-1少模長周期光纖光柵模式轉換器 3-2按圖1流程制作的少模長周期光纖光柵傳感器。
[0024]圖1中FM-LPFG為少模長周期光纖光柵
[0025]NaOH treated Etched FM-LPFG為氫氧化鈉溶液處理后的蝕刻少模長周期光纖光柵
[0026]Nanofiber coated Etched FM-LPFG為納米纖維覆蓋的蝕刻少模長周期光纖光柵
[0027]Carbon-nanof iber 為碳納米纖維
[0028]B1-molecules 為生物分子
[0029]-OH為氫氧根離子
[0030]圖2中HF為氫氟酸
[0031]圖3中LPOl和LP02為線偏振模
[0032]Carbonnanof iber為碳納米纖維，簡寫為CN
[0033]CN-coated FM-LPFG為碳納米纖維覆蓋的少模長周期光纖光柵
[0034]人方3-1部分的光柵周期，數值為430μπι
[0035]A2^ 3-2部分的光柵周期，范圍在300?600 μπι
【具體實施方式】
[0036]本發明首次提出基于少模長周期光纖光柵的敏感度增強技術和器件設計，從原理上突破光纖光柵敏感度限制，實現高靈敏的光纖傳感檢測。首先，在少模光纖中寫入長周期光纖光柵，然后對其包層進行化學蝕刻減薄，最后用磁場誘導Fe3O4/碳納米管復合納米材料，使其規則排布并沉積在光纖光柵表面，可以極大地提高器件對被測物質的吸附和傳感能力；其次，首次提出級聯的長周期少模光纖光柵器件設計，即在傳感模塊之前級聯一個用于模式轉換少模長周期光纖光柵模塊，可以提高纖芯導模與包層模之間的耦合效率，突破現有的傳感靈敏度的限制。
[0037]為了實現對外界環境物質高精度、高靈敏度的傳感測量，并突破現有的傳感靈敏度。本發明采用的裝置包括模式轉換少模長周期光纖光柵和蝕刻減薄涂覆碳納米纖維的少模長周期光纖光柵傳感器兩個模塊，并將兩部分級聯在一起，入射光輸入到模式轉換模塊，使LPOl基模的能量轉移到LP02高階模上，然后通過傳感模塊，使LP02高階模與包層中的低階模式耦合來傳感外界物質折射率的變化，反映在透射譜中波長