CN101979963A - 一体成型光纤微传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体成型光纤微传感器及其制作方法，属于微型传感器技术领域。本发明采用飞秒激光脉冲技术在光纤某个部位的去除涂覆层的侧面加工出一定宽度的凹槽，凹槽的深度略小于该侧表面到纤芯的距离以保证纤芯的完整性，凹槽的底面为折射率均匀增大的烧蚀界面薄层；并在整个过程采用吹气方法去除烧蚀碎末以保证加工效果。本发明的微传感器不存在组装或移动部件，具有一体成型、结构简单、机械强度好、耦合效率高等优点，克服了分别制备和组装平面波导耦合光纤微传感器的不稳定性等缺陷。该传感器能够检测环境中特定分子的存在及浓度，还可用于检测温度或压力变化。

Description

一体成型光纤微传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种一体成型光纤微传感器及其制作方法，属于微型传感器技术领域。

背景技术

光纤传感器具有非常广阔应用背景，平面波导和光纤的耦合是一种相位匹配的共振模式。这种耦合模式能够灵敏的感应平面波导表面特性的变化，从而透射传输谱线显示的共振波长和耦合效率发生改变，达到测试的目的。这种传感器可用于折射率，应力，温度和湿度等的检测，具有广泛的传感测试应用性。

通常平面波导(planar/slab waveguide)耦合光纤传感器是一种组装结构，包括平面波导的选择制备，光纤的侧边抛磨或腐蚀以及两者间的组装。可以选择不同折射率、厚度、长度的平面波导；抛磨或腐蚀光纤获得合适的深度和良好的粗糙度。这些参数将直接影响传感器的共振波长，自由光谱范围，线宽和灵敏度等。这种平面波导与光纤耦合实现的共振透射谱线最初是被应用于宽带滤波器上的。因为其结构是组装形成的，所以平面波导的制作具有较大灵活性，可根据实验需要和理论计算给出最优选择参数；但是其组装结构的制作过程相对复杂和附加操作程序较多，而且测得的透射谱线形状较不规则，从而引起传感器的稳定性相对较差，在实际应用中易受外界因素的干扰。

发明内容

本发明的目的是为解决基于组装技术的平面波导耦合光纤传感器稳定性差，易受外界干扰，制作复杂的缺点，提出一种一体成型的光纤微传感器及其制作方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一体成型光纤微传感器，其结构为：在光纤某个部位的去除涂覆层的侧面加工出一定宽度的凹槽。凹槽的深度略小于该侧表面到纤芯的距离以保证纤芯的完整性；凹槽的底面为折射率均匀增大的烧蚀界面薄层。该烧蚀界面薄层为类似于平面波导的全新传感结构，并且谐振透射谱线的形成主要依赖于该传感结构。

所述的凹槽的深度使得烧蚀成型的凹槽底面薄层与纤芯和包层界面处形成的倏逝波(即纤芯和包层界面处存在的强度在径向呈指数衰减的近场驻波)重叠，并且经飞秒激光烧蚀的凹槽底面薄层的折射率均匀增大，达到光在光纤内传播模式的有效折射率，使得凹槽底面薄层形成的传感结构和纤芯能够发生相位匹配耦合，达到较优的传感效果。

本发明的一体成型光纤微传感器的工作过程为：光纤的一端为光源输入端，连接可调谐激光器；另一端为传感信号检测端，连接功率计，用于检测输出光的变化情况。一定波段的光入射到光纤后，某些波长的光在满足传感结构和光纤传输模式的相位匹配后，在烧蚀区域的纤芯与传感结构间发生共振耦合，这些波长的光便从纤芯传输到传感结构中，并在其内部散射传输损失。在除去传感器凹槽处倏逝波能量散射造成的背景损失后，检测端将测得耦合谐振波长的光功率损失值，且其中存在一个或多个中央谐振损失值即最大衰减值。背景损失与最大衰减值的差被称为衰减峰差值。当外界因素如覆盖物，温度，湿度，应力等改变了传感结构的有效折射率时，纤芯与传感结构的耦合模式也将随之改变，从而导致谐振波长和功率损失值发生变化。在测试端将测出中央谐振波长和功率损失漂移值，将实验数据作整理分析和标定后，得到反馈外界因素变化的参数，从而达到传感效果。

本发明的一体成型光纤微传感器的制作方法为：

步骤1，根据测试需求设计光纤凹槽的长度；

步骤2，根据步骤1所设计光纤凹槽的长度，在所需部位去除光纤涂覆层；

步骤3，采用飞秒激光脉冲加工凹槽，并在整个过程采用吹气方法去除烧蚀碎末以保证加工效果；

选择合适的脉冲能量、数值孔径、加工速率和步长参数，在剥去光纤涂覆层的部位烧蚀出所设计长度的凹槽；用飞秒激光多次重复扫描烧蚀的凹槽底面，直到获得一个衰减峰差较好的透射谱线时停止加工，得到的凹槽底面为折射率呈均匀变化的平面薄层，即传感结构。

有益效果

本发明设计了一种一体成型且结构简单的高灵敏度新型微传感器。该微传感器采用飞秒激光技术直接在光纤上加工形成新型凹槽传感结构，使凹槽传感结构和纤芯满足相位匹配条件，实现一定波长光的共振耦合。凹槽传感结构上的有效折射率的改变可使耦合的共振波长和耦合效率发生变化，从而引起透射传输谱线的变化。引起传感结构有效折射率变化的因素除外界环境折射率外，还有温度，湿度，应力等。

本发明的微传感器不存在组装或移动部件，具有一体成型、结构简单、机械强度好、耦合效率高等优点，克服了分别制备和组装平面波导耦合光纤微传感器的不稳定性等缺陷。该传感器能够检测环境中特定分子的存在及浓度，如甲烷、乙炔、乙烯、毒品蒸汽、炸药蒸汽、坑道气体分子等，还可用于检测温度或压力变化，因此在环境监测、工业过程处理、矿山生产、公共安全设施等领域有广泛应用，且根据初步理论计算，该微传感器在用于气体浓度检测时灵敏度可达到ppm量级。

附图说明

图1为具体实施方式的一体成型微传感器的整体结构示意图；

图2为具体实施方式中微传感器加工过程中部分透射谱线变化图；

图3为具体实施方式中微传感器检测气体的透射谱线图；

图4为具体实施方式中微传感器的温度灵敏度图；

图中，1-纤芯，2-传感结构，3-光纤。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

图1为本具体实施方式的一体成型微传感器的整体结构示意图。本实施例中，选用Corning公司的SMF-28e光纤，在其上任一部位的上侧加工出长度为75微米，深度为58微米的凹槽，作为传感结构的凹槽底面为折射率均匀增大的平面薄层。

本实施例的微传感器的具体的制备过程为：

步骤1，根据测试需求设计光纤凹槽的长度；

步骤2，取一个SMF-28e光纤3，用剥离钳在光纤上的所需部位去除一段光纤涂覆层，所剥光纤涂覆层长度等于步骤1设计的凹槽长度；

步骤3，采用飞秒激光三维微加工系统在SMF-28e光纤3剥去涂覆层的部位一步加工制备凹槽传感结构，该传感结构2为平面薄层。

采用脉冲宽度为35fs、波长800nm、重复频率1kHz、最高输出功率4W的飞秒激光脉冲，经光快门后由半波片和偏振片组成的衰减系统将平均功率降低到小于100mW，再利用几个中性滤光片进一步将光衰减至约0.5mW，然后经20倍物镜聚焦到光纤表面。光纤3放置在精度1μm的精密平移台上，整个加工过程通过包括照明器、物镜、CCD等组成的成像系统进行实时监控。在光纤3上烧蚀出一定深度和长度的平面凹槽，其中深度值为58微米，长度为75微米。最后，在烧蚀至快到光纤纤芯1处时，用飞秒激光多次重复扫描烧蚀的最终平面。薄平面的厚度约1-2微米且折射率是增大的。在此重复扫描过程中，每一个扫描周期后测试出透射传输谱线图，如图2所示。在获得一个衰减峰差(实验测得约为28dB)较好的透射谱线时可停止加工。整个过程采用吹氮气来去除烧蚀碎末以保证加工效果。

在飞秒激光烧蚀到可预估计的倏逝波位置之前可做较大进给步长的粗烧蚀加工；而在有效加工距离(倏逝场存在的径向距离)内需要做较小步长的细烧蚀加工。传感结构和纤芯的耦合效率高可得到较小的线宽或较高的品质因数，它们是评价传感器性能的重要参数。为了得到好的耦合效率，需要在有效加工距离内的微纳尺度烧蚀，并实时测试出透射谱线。而在透射谱线图上反映的最好共振耦合谱线对应的就是最优的凹槽底面位置。但在实际应用中，需要多次加工探索和积累后，找到一个较优的透射谱线后可停止加工。耦合的效率还与烧蚀长度有关，也需要多次加工探索和积累，然后根据需要选择较优的烧蚀长度参数。本实施例选用SMF-28e光纤加工传感结构的长度最优值为50-250微米。

本发明的一体成型微传感器不仅可以选择SMF-28e光纤来加工，还可以选择其他多种类型的加工光纤，如单模光纤，多模光纤，D型光纤，保偏光纤等，其具体制作方法相同。

由于飞秒激光的非线性烧蚀机理因素的作用，使光纤烧蚀界面的折射率变大且轴向整体分布均匀而径向折射率呈梯度变化，本实施例的传感结构(凹槽底面)2的折射率大于或等于光纤3的有效折射率，在满足传感结构(凹槽底面)2与光纤3之间耦合模式相位匹配的条件下，在光纤3内传输的某些波长的光就会耦合入传感结构2。根据对传输光透射谱线的测量，两者之间的耦合效率和线宽与传感结构2的相对位置(或飞秒激光烧蚀的深度)，厚度，折射率和表面粗糙度有关。凹槽传感结构2和光纤3的耦合是一种相位匹配的共振耦合模式，共振波长和耦合效率对传感结构上覆盖层有效折射率的改变极为敏感，因此外界环境有效折射率的改变会引起透射传输谱线的变化，从而进行化学生物、浓度、湿度、温度、应变、应力或压力检测。这种高灵敏度的新型微传感器可广泛应用于环境监测、工业过程处理、公共安全等领域。

本发明所设计的微传感器可用于检测环境中的化学、生物分子浓度。一定波段的入射光在光纤中传输到光纤纤芯1和传感结构2的耦合区时，某些波长的光在光纤纤芯1和传感结构2之间发生共振耦合，从而在透射谱上会产生对应波长的衰减峰。在忽略其他影响因素情况下，传感结构2上不同折射率的覆盖层会使耦合的中央共振波长和耦合效率发生变化，从而引起透射传输谱线中中央共振波长和衰减峰差值的变化。图3为本实施例制作的传感器对空气和丙酮环境下响应的透射谱线，图中可以看出，两者间的折射率差值约10^-4，得出中心共振波长蓝移6.5nm和衰减峰差值减小2.5dB，表现出很强的传感效应。对其透射光谱中衰减峰的变化作分析计算，可以得到折射率的改变量，而折射率的改变与环境相应物质分子浓度相对应，由此可以检测出环境中所测化学、生物分子的浓度。

本发明所设计的微传感器在外界折射率基本不变的情况下可用做温度、湿度、压力等传感器。温度、湿度和压力的改变同样会引起有效折射率的变化，从而导致纤芯与新型传感结构耦合的共振波长和耦合效率发生改变，对其透射光谱中共振波长或衰减峰差值随温度、湿度和压力的漂移作标定后，可以用于检测特定环境中温度、湿度和压力的改变。如图4所示，本实施例制作的传感器对温度测试获得的灵敏度为55pm/℃，表现出很强的传感效应。

本发明的微传感器根据加工长度的不同，还可以呈现出不同强度的灵敏度，具有多样性。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一体成型光纤微传感器，其特征在于：在光纤某个部位的去除涂覆层的侧面加工出一定宽度的凹槽；为保证纤芯的完整性，凹槽的深度需略小于该侧表面到纤芯的距离；凹槽的底面为折射率均匀增大的烧蚀界面薄层；

所述的凹槽的深度使得烧蚀成型的凹槽底面薄层与纤芯和包层界面处形成的倏逝波重叠，并且经飞秒激光烧蚀的凹槽底面薄层的折射率均匀增大，达到光在光纤内传播模式的有效折射率，使凹槽底面薄层形成的传感结构和纤芯能够发生相位匹配耦合。

2.根据权利要求1所述的一体成型光纤微传感器，其特征在于：所述的微传感器可以选用SMF-28e光纤加工；其加工凹槽长度最优值为50-250微米。

3.根据权利要求1所述的一体成型光纤微传感器，其特征在于：所述的微传感器使用的加工光纤为SMF-28e光纤、单模光纤、多模光纤、D型光纤或保偏光纤。

4.一体成型光纤微传感器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，根据测试需求设计光纤凹槽的长度；

步骤2，根据步骤1所设计光纤凹槽的长度，在所需部位去除光纤涂覆层；

步骤3，采用飞秒激光脉冲加工凹槽，并在整个过程采用吹气方法去除烧蚀碎末以保证加工效果；

选择合适的脉冲能量、数值孔径、加工速率和步长参数，在剥去光纤涂覆层的部位烧蚀出所设计长度的凹槽；用飞秒激光多次重复扫描烧蚀的凹槽底面，直到获得一个衰减峰差较好的透射谱线时停止加工，得到的凹槽底面为折射率呈均匀变化的平面薄层，即传感结构。

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