CN102539013A

CN102539013A - 基于标尺效应的级联光纤f-p微腔温度传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN102539013A
Application number: CN2012100116371A
Authority: CN
Inventors: 张小贝; 李金龙; 殷赵辉; 王文辕; 庞拂飞; 刘云启; 王廷云
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明提出一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器及其制备方法。该温度传感器包括一根单模光纤和在其内部的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜形成第一F-P微腔，所述第二反射镜和所述第三反射镜形成第二F-P微腔；一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器的制备方法，通过计算机控制，采用飞秒脉冲激光微加工技术，用于制备该温度传感器。本传感器通过标尺效应提高了干涉条纹的对比度，而且同时增大了干涉条纹的自由光谱范围，从而实现高分辨率和大范围的温度测量，并改进工艺以实现低损耗和高性能传感特性，这将在大型系统故障监控和健康监测等领域有广泛的应用前景。

Description

基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于标尺效应的级联光纤F-P（Fabry-Perot，法布里-珀罗）微腔温度传感器及其制备方法，属于光纤器件领域。

背景技术

自上世纪70年代以来，光纤传感领域发展迅速。光纤及光纤器件是光纤传感的传输媒介，其发展程度的高低在很大程度上决定着光纤传感领域的发展。光纤传感器抗干扰能力强、绝缘性好、安全度高、灵敏度高、重量轻、体积小而且易于集成，因而在很多行业比如能源石化、资源勘探、生物医疗等领域均有着广阔的应用前景。随着光纤传感领域的快速发展，对光纤器件的要求也越来越高，具有微尺寸、高灵敏度、快速响应等优势的新型光纤器件逐渐成为研究的热点。近年来，随着各种微加工技术不断成熟，基于光纤端面、光纤表面和光纤内部而进行的微结构制备得到了大力发展，极大地推动各种新型光纤微传感器在传感方面的应用。F-P腔以及基于F-P腔的各种传感器已经被广泛的应用，但是用飞秒脉冲激光在光纤内部制备F-P微腔以及基于F-P微腔的复合传感器应用很少。使用飞秒激光器在单模光纤内部刻写级联F-P微腔，利用标尺效应，可以实现比普通F-P腔更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的传感，再加以改进工艺以实现低损耗和高性能传感，可以应用在温度测量领域，这将在大型系统故障监控和健康监测等领域有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有单模光纤F-P腔以及单个F-P微腔传感存在的不足，提供一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器及其制备方法，以实现更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的温度传感，这将在大型系统故障监控和健康监测等领域有广泛的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器，包括一根单模光纤和在其内部的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜形成第一F-P微腔，所述第二反射镜和所述第三反射镜形成第二F-P微腔；所述第一反射镜、所述第二反射镜以及所述第三反射镜是分别通过飞秒脉冲激光沿所述单模光纤内部纤芯的径向改变光纤的纤芯区域折射率形成的反射面；所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的距离L ₁、所述第二反射镜和所述第三反射镜之间的距离L ₂的范围均为50~6000μm，但是这两个距离并不相同，一般取L ₁为L ₂的2倍。

一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器的制备方法，用于制备基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器，通过计算机控制，采用飞秒激光刻写，本方法操作步骤如下：

1）取一根单模光纤，剥掉该单模光纤中间部分长度3cm的涂覆层；

2）将剥掉了涂覆层的所述单模光纤置于三维移动平台上，使所述单模光纤轴向垂直于飞秒脉冲激光光束的传输方向；通过显微镜观察并调整所述单模光纤的位置，使飞秒脉冲激光器输出的飞秒脉冲激光光束通过显微镜的物镜聚焦于所述单模光纤的中心，用飞秒脉冲激光在单模光纤内部刻写级联F-P微腔；

3）沿所述单模光纤的径向移动所述三维平台，移动距离不小于所述单模光纤纤芯直径的二倍，使飞秒脉冲激光能完全刻写所述单模光纤的纤芯，所述三维平台移动速度为0.8μm/s~1μm/s，至此，第一反射镜制备完成；

4）控制所述三维平台沿所述单模光纤的轴向向单模光纤的另一端移动所需的腔长的距离L ₁，重复步骤3）的操作，完成第二反射镜的制备；

5）控制所述三维平台沿所述单模光纤的轴向继续向前移动另一个所需的腔长的距离L ₂，此处，L ₂和L ₁不相等，一般可取L ₁为L ₂的2倍，重复步骤3）的操作，完成第三反射镜的制备；至此，基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器制备完成。

本发明与现有技术相比较，具有如下实质性特点和显著优点：

（1）本发明可以实现比普通F-P腔以及单个F-P微腔更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的传感，可实现微尺寸、高灵敏度、抗电磁干扰和快响应速度的微量检测；

（2）所发明的器件结构简单，性能稳定可靠，并可以根据需求，制备不同腔长、不同反射系数的光纤内部反射镜的器件；

（3）飞秒脉冲激光微加工技术不需要昂贵的掩模版，成本低廉，重复性高，易于实现器件的批量加工；相比于常规制作方法制作普通单模光纤F-P腔，用飞秒脉冲激光微加工技术制成的F-P微腔性能更好，因为飞秒脉冲激光微加工技术对脉冲激光的聚焦区域和功率控制更加精确，用该法制作的反射面折射率改变更加均匀，位置更加精确。

附图说明

图1是本发明中基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器的结构图。

图2是本发明利用飞秒激光在单模光纤内部刻写级联光纤F-P微腔的示意图。

图3是本发明中基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器的干涉光谱图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

如图1所示，一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器，包括一根单模光纤1和在其内部的第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4，所述第一反射镜2和所述第二反射镜3形成第一F-P微腔5，所述第二反射镜3和所述第三反射镜4形成第二F-P微腔6；所述第一反射镜2、所述第二反射镜3以及所述第三反射镜4是分别通过飞秒脉冲激光沿所述单模光纤1内部纤芯的径向改变光纤的纤芯区域折射率形成的反射面；所述第一反射镜2和所述第二反射镜3之间的距离L ₁、所述第二反射镜3和所述第三反射镜4之间的距离L ₂的范围均为50~6000μm，但是这两个距离并不相同，一般取L ₁为L ₂的2倍。本实施例中，单模光纤包层直径约为125μm，纤芯直径约为8.5μm。

如图2所示，一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器的制备方法，用于制备基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器，通过计算机控制，采用飞秒激光刻写，本方法操作步骤如下：

1）取一根长度约为1m的单模光纤1，剥掉该单模光纤1中间部分长度约3cm的涂覆层；

2）将剥掉了涂覆层的所述单模光纤1置于三维移动平台7上，使所述单模光纤1轴向垂直于飞秒脉冲激光光束8的传输方向；通过显微镜观察并调整所述单模光纤1的位置，使飞秒脉冲激光器9输出的飞秒脉冲激光光束8通过显微镜的物镜10聚焦于所述单模光纤1的中心，用飞秒脉冲激光在单模光纤1内部刻写级联F-P微腔；

3）沿所述单模光纤1的径向移动所述三维平台7，移动距离不小于所述单模光纤1纤芯直径的二倍，使飞秒脉冲激光能完全刻写所述单模光纤1的纤芯，所述三维平台7移动速度为0.8μm/s---1μm/s，至此，第一反射镜2制备完成；

4）控制所述三维平台7沿所述单模光纤1的轴向向单模光纤1的另一端移动所需的腔长的距离L ₁，重复步骤3）的操作，完成第二反射镜3的制备；

5）控制所述三维平台7沿所述单模光纤1的轴向继续向前移动另一个所需的腔长的距离L ₂，此处，L ₂和L ₁不相等，一般可取L ₁为L ₂的2倍，重复步骤3）的操作，完成第三反射镜4的制备；至此，基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器制备完成。

如图3所示，同单个F-P腔相比，级联的F-P腔可以利用标尺效应对两个F-P腔的反射光谱实现叠加。因为第二反射镜和第三反射镜构成的F-P微腔2 的腔长L ₂与第一反射镜和第二反射镜构成的F-P微腔的腔长 L ₁不相等，所以这两个F-P微腔的反射光谱并不相同，总的输出反射光谱是这两个F-P微腔的反射光谱的叠加。在满足两个微腔共振谐振条件的情况下，相应的谐振波长处的反射光会实现干涉条纹对比度提高，采用共振谐振峰的谐振波长作为温度传感的表征参量，将更大的提升分辨率。同时由于标尺效应使得共振谐振峰的周期间隔要远大于其中任何一个微腔的谐振峰周期间隔，因此等效的自由光谱范围增大，共振谐振峰在温度改变下可以变化的范围更大而不进入其他阶次，这将扩大温度测量范围。

Claims

1.一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器，其特征在于，包括一根单模光纤（1）和在其内部的第一反射镜（2）、第二反射镜（3）、第三反射镜（4），所述第一反射镜（2）和所述第二反射镜（3）形成第一F-P微腔（5），所述第二反射镜（3）和所述第三反射镜（4）形成第二F-P微腔（6）；所述第一反射镜（2）、所述第二反射镜（3）以及所述第三反射镜（4）是分别通过飞秒脉冲激光沿所述单模光纤（1）内部纤芯的径向改变光纤的纤芯区域折射率形成的反射面；所述第一反射镜（2）和所述第二反射镜（3）之间的距离L ₁、所述第二反射镜（3）和所述第三反射镜（4）之间的距离L ₂的范围均为50~6000μm，但是这两个距离并不相同，一般取L ₁为L ₂的2倍。

2.一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器的制备方法，用于制备根据权利要求1所述的一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器，其特征在于，通过计算机控制，采用飞秒激光刻写，本方法操作步骤如下：

1）取一根单模光纤（1），剥掉该单模光纤（1）中间部分长度3cm的涂覆层；

2）将剥掉了涂覆层的所述单模光纤（1）置于三维移动平台（7）上，使所述单模光纤（1）轴向垂直于飞秒脉冲激光光束（8）的传输方向；通过显微镜观察并调整所述单模光纤（1）的位置，使飞秒脉冲激光器（9）输出的飞秒脉冲激光光束（8）通过显微镜的物镜（10）聚焦于所述单模光纤（1）的中心，用飞秒脉冲激光在单模光纤（1）内部刻写级联F-P微腔；

3）沿所述单模光纤（1）的径向移动所述三维平台（7），移动距离不小于所述单模光纤（1）纤芯直径的二倍，使飞秒脉冲激光能完全刻写所述单模光纤（1）的纤芯，所述三维平台（7）移动速度为0.8μm/s~1μm/s，至此，第一反射镜（2）制备完成；

4）控制所述三维平台（7）沿所述单模光纤（1）的轴向向单模光纤（1）的另一端移动所需的腔长的距离L ₁，重复步骤3）的操作，完成第二反射镜（3）的制备；

5）控制所述三维平台（7）沿所述单模光纤（1）的轴向继续向前移动另一个所需的腔长的距离L ₂，此处，L ₂和L ₁不相等，一般可取L ₁为L ₂的2倍，重复步骤3）的操作，完成第三反射镜（4）的制备；至此，基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器制备完成。