CN101825479A - 基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法 - Google Patents

基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，包括以下步骤：采用化学腐蚀或激光微加工技术在渐变折射率多模光纤端面制作一微孔；将带微孔的渐变折射率多模光纤与单模光纤熔接，形成光纤法珀腔结构；切割渐变折射率多模光纤，当其长度满足一定条件时，可实现高性能的光纤法珀传感器。本发明利用渐变折射率多模光纤中的自聚焦效应，降低了光纤法珀腔的损耗，并提高了端面反射率，从而使光纤法珀传感器反射光谱的条纹对比度高达30dB以上。利用该方法制作的光纤传感器，可用于折射率和温度测量灵敏度高、线性度好。

Description

基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法
技术领域
本发明涉及一种光纤传感器，具体涉及一种基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法。
背景技术
光纤法珀传感器已经在工业、军事等诸多领域被广泛应用于应变、压力、温度、折射率等参数的传感。传统的光纤法珀传感器主要通过在两段单模光纤之间熔接一段空心光纤、或阶跃折射率多模光纤、或空心光子晶体光纤，这样制作的光纤法珀结构端面反射率不高，导致测量灵敏度不高。可采用光纤布拉格光栅和镀膜的方式提高反射率，但前者的带宽窄，后者的机械稳定性不好。
申请号为200710078516.8，公开号为CN 101055197A的中国发明专利“飞秒激光脉冲制作的微型光纤珐珀传感器及制作方法”和申请号为200710088067.5，公开号为CN 101034007A的中国发明专利“光纤珐珀传感器及其制作方法”分别公开了利用飞秒激光和准分子激光在光纤上加工微珐珀腔，构成光纤珐珀传感器，用于应变、温度、压力等参数的检测。这一类传感器性能好、重复性高，适合于中高端产品，但加工系统造价高，不适合普及推广，而且加工过程需要掩膜板与光纤精确对准，调节精度要求很高，很难低成本、大批量制作。化学腐蚀方法具有低成本、重复性精度高等优点，适合大批量低成本制作光纤法珀传感器。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，该方法能大大提高现有光纤法珀传感器的性能，且成本低、制作步骤简单。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，包括以下步骤：
①将渐变折射率多模光纤涂覆层剥除，切割使其端面平整，采用微加工技术在光纤端面制作一微孔；
②利用光纤熔接机，将带微孔的渐变折射率多模光纤与切割后的单模光纤熔接，形成一空气腔结构；
③将渐变折射率多模光纤的另一端切割，构成光纤法珀复合结构传感器。
按照本发明所提供的基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，其特征在于，步骤①所述的微加工技术包括化学腐蚀方法、飞秒激光微加工技术和准分子激光微加工技术。
按照本发明所提供的基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，其特征在于，所述步骤②中渐变折射率多模光纤与单模光纤熔接前，采用预放电改善微加工制作的微孔底面，降低其透射和散射损耗。
按照本发明所提供的基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，其特征在于，所述步骤③中的切割后的渐变折射率多模光纤长度L必须满足L＝mp/4，m为正整数，p为渐变折射率多模光纤的节距。
按照本发明所提供的基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，其特征在于，所述渐变折射率多模光纤纤芯的折射率径向分布满足
Figure GSA00000081875000021
n1为纤芯中心最大折射率，Δ为纤芯和包层的相对折射率差，r0为纤芯半径，α为折射率分布因子。
本发明的有益效果是：本发明利用渐变折射率多模光纤的自聚焦效应，大大降低了光纤法珀腔结构中的光传输损耗，同时提高光纤端面的反射率，提高了光纤法珀复合结构传感器的反射光谱条纹对比度，从而提高折射率和温度的测量灵敏度。该方法还具有成本低、制作步骤简单等优点。
附图说明
图1为腐蚀后的渐变折射率多模光纤的示意图；
图2为腐蚀后的渐变折射率多模光纤与单模光纤熔接的示意图；
图3为熔接后切割渐变折射率多模光纤的结构示意图；
图4为渐变折射率多模光纤长度为1/2节距时的光纤法珀复合结构传感器及光束传输的几何光学示意图；
图5为渐变折射率多模光纤长度为3/4节距时的光纤法珀复合结构传感器及光束传输的几何光学示意图；
图6为折射率和温度测量装置示意图；
图7为单模光纤端面、空气腔和光纤法珀复合结构传感器的反射光谱图；
图8为光纤法珀复合结构传感器的温度测量结果；
图9为光纤法珀复合结构传感器的折射率测量结果。
其中，1、渐变折射率多模光纤包层，2、渐变折射率多模光纤纤芯，3、微孔，4、单模光纤包层，5、单模光纤纤芯，6、熔接机，7、空气腔，8、切割刀，9、光谱分析仪，10、3dB耦合器，11、光纤法珀复合结构传感器，12、溶液，13、温度计。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述：
基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，包括以下步骤：将渐变折射率多模光纤涂覆层剥除，切割使其端面平整，将其放入40％的氢氟酸溶液腐蚀约4分钟，由于包层1的腐蚀速度比纤芯2的腐蚀速度慢，在光纤端面制作一微孔3，如图1所示；然后利用光纤熔接机6将带微孔的渐变折射率多模光纤与切割后的单模光纤熔接，如图2所示，形成一空气腔结构7；用切割刀8将渐变折射率多模光纤的另一端切割，构成光纤法珀复合结构传感器，如图3所示。
也可采用飞秒激光微加工技术和准分子激光微加工技术在渐变折射率多模光纤端面制作微孔。
渐变折射率多模光纤纤芯的折射率径向分布满足n1为纤芯中心最大折射率，Δ为纤芯和包层的相对折射率差，r0为纤芯半径。α为折射率分布因子，取2时表示渐变折射率多模光纤纤芯的折射率为抛物线分布。当切割后的渐变折射率多模光纤长度L满足1/4节距的整数倍时，光纤法珀复合结构传感器的反射光谱条纹对比度高，可用于高精度测量折射率和温度。图4和图5分别为渐变折射率多模光纤长度为1/2节距和3/4节距时的光纤法珀复合结构传感器及光束传输的几何光学示意图。当L满足1/4节距的整数倍时，光束在渐变折射率多模光纤端面的反射光与入射光重合，光沿原路返回，从而大大降低光纤法珀腔结构的损耗。同时，由于渐变折射率多模光纤纤芯的折射率大于普通单模光纤，因此渐变折射率多模光纤端面的反射率比普通单模光纤端面高，可进一步提高条纹对比度。
以下是本发明的具体实施例：
采用光谱分析仪9、3dB耦合器10和光纤法珀复合结构传感器11构成传感系统测量溶液12的折射率和温度，如图6所示。同时由温度计13和阿贝折射率计标定温度和折射率。光纤法珀复合结构传感器11的反射光谱由光谱分析仪9记录。光纤法珀复合结构传感器制作过程中，单模光纤端面、空气腔和光纤法珀复合结构传感器的反射光谱如图7所示。光纤法珀复合结构传感器反射光谱的条纹对比度可达32dB以上。
通过条纹对比度的变化和波长漂移分别测量折射率和温度。光纤法珀复合结构传感器的温度测量结果如图8所示，温度测量灵敏度为11.5pm/℃。光纤法珀复合结构传感器的折射率测量结果如图9所示，折射率测量灵敏度为45.05dB/RIU。从图8可以看出，当温度不变时，干涉条纹对应波长不随折射率变化，说明折射率变化对温度测量没有影响。温度的变化会引起条纹对比度的变化，在补偿了液体的热光效应(即液体折射率随温度的变化)之后，温度对对比度的影响可以忽略，如图9所示。因此，该传感器可实现折射率和温度的同时测量。

Claims (5)

1.基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，包括以下步骤：
①将渐变折射率多模光纤涂覆层剥除，切割使其端面平整，采用微加工技术在光纤端面制作一微孔；
②利用光纤熔接机，将带微孔的渐变折射率多模光纤与切割后的单模光纤熔接，形成一空气腔结构；
③将渐变折射率多模光纤的另一端切割，构成光纤法珀复合结构传感器。
2.根据权利要求1所述的基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，其特征在于，步骤①所述的微加工技术包括化学腐蚀方法、飞秒激光微加工技术和准分子激光微加工技术。
3.根据权利要求1所述的基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，其特征在于，所述步骤②中渐变折射率多模光纤与单模光纤熔接前，采用预放电改善微加工制作的微孔底面，降低其透射和散射损耗。
4.根据权利要求1所述的基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，其特征在于，所述步骤③中的切割后的渐变折射率多模光纤长度L必须满足L＝mp/4，m为正整数，p为渐变折射率多模光纤的节距。
5.根据权利要求1所述的基于自聚焦效应的光纤法珀复合结构传感器制作方法，其特征在于，所述渐变折射率多模光纤纤芯的折射率径向分布满足
Figure FSA00000081874900011
n1为纤芯中心最大折射率，Δ为纤芯和包层的相对折射率差，r0为纤芯半径，α为折射率分布因子。
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