CN103940456A - 一种干涉型反射探针式光纤微传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干涉型反射探针式光纤微传感器及其制作方法，属于微型传感器技术领域。本发明的传感器，包括光纤接入段、光纤锥汇聚段、光纤半球反射段和模式激发器；光纤接入段为圆柱形的未加工裸光纤，光纤半球反射段为半球形结构，光纤锥汇聚段为光纤接入段向光纤半球反射段的锥形过渡；本发明采用熔融法将一段光纤拉制成两段前段为锥段、前端端部为半球头反射面的传感器，在光纤锥汇聚段上采用飞秒激光脉冲技术在锥表面沿径向向内加工微孔，作为模式激发器。本发明的传感器能够检测环境中气体浓度的变化，还可用于检测大范围温度变化。

Description

一种干涉型反射探针式光纤微传感器及其制作方法

技术领域

本发明公开了一种干涉型反射探针式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

光纤传感器具有很广阔的应用背景，干涉型光纤传感器是一种基于相位调制技术的高精度传感器件，能灵敏感应被测物理量的变化，且有极高的检测分辨率，相应的相位改变可用于检测折射率、温度、应力等物理量的微小变化，有很强的实际应用价值。

现有的干涉型光纤传感器主要基于法布里帕罗（Fabry Perot-Interferometer,FPI）原理，分为一体成型的FPI光纤微传感器和组装型的FPI光纤传感器两种主要的类别，分别如图1和图2所示。一体成型光纤传感器的干涉结构由不同的三维微纳加工工艺在裸光纤中加工获得，干涉表面的加工质量无法达到高质量干涉的基本要求（镜面级反射和平行度），造成干涉条纹的干涉强度较低和品质因数较差等缺陷，不利于条纹波长定位，也不利于光谱信号的调制解调，限制了光纤传感器分辨率的提高；组装型光纤传感器的干涉结构由光纤端面抛磨以及表面镀膜等方式制作高质量反射表面，通过人工组装实现干涉表面的平行对中性，可以实现品质因数极高的干涉光谱，但其结构稳定性较差，复杂的组装结构需要较复杂的装配工艺，且传感器结构尺寸较大，无法实现μm级别的检测尺度。为了解决小范围高分辨率的传感测量，需要进一步提高一体成型光纤传感器干涉表面的加工质量，现有的三维立体加工工艺很难满足要求。

发明内容

本发明的目的是为解决干涉型光纤传感器品质因数差，不易调制解调，组装结构稳定性差，尺寸较大的不足，提供了一种干涉型反射探针式光纤微传感器及其制作方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种干涉型反射探针式光纤微传感器，其结构包括一体加工而成的光纤接入段、光纤锥汇聚段、光纤半球反射段和模式激发器；

光纤接入段为圆柱形的未加工裸光纤，光纤半球反射段为半球形结构，光纤锥汇聚段为光纤接入段向光纤半球反射段的锥形过渡；光纤半球反射段的球直径为光纤接入段直径的0.16～0.32倍，光纤锥汇聚段的长度为光纤接入段直径的2.5～4.8倍；

在光纤锥汇聚段上与光纤接入段的距离为0.2～0.3倍锥长的位置处向内径向开孔，作为模式激发器，模式激发器的开孔深度至光纤纤芯的一半。

光纤接入段、光纤锥汇聚段和光纤半球反射段采用的材料为单模光纤、多模光纤、保偏光纤或光子晶体光纤，光纤接入段的直径为选用的光纤的直径。

本发明的一种干涉型反射探针式光纤微传感器的制作方法，其具体步骤为：

步骤1）采用熔融法将一段光纤拉制成两段前段为锥段、前端端部为半球头反射面的传感器，使每个传感器的锥段长度为裸光纤直径的2.5～4.8倍，半球头反射面的球面直径为裸光纤直径的0.16～0.32倍；

步骤2）在光纤锥汇聚段上距离光纤接入段0.2～0.3倍锥长位置处采用飞秒激光脉冲技术在锥表面沿径向向内加工微孔，作为模式激发器，微孔的直径为0.05～0.10倍裸光纤直径，微孔的加工深度达到光纤纤芯的一半；微孔的加工过程采用水辅助方法去除光纤碎屑；

在步骤2）中加工的模式激发器还可以采用二氧化碳激光技术加工或者采用熔融连接技术加工。

工作过程：

光纤接入段通过光纤耦合器或光纤环形器接入光纤解调仪，一定波段（大于传感器自由光谱范围）的光从光纤接入段入射到光纤后，光纤纤芯中的光经过模式激发器后部分激发到光纤包层中短暂传播，部分进入包层传播的光经光纤锥汇聚段的汇聚和光纤半球反射段的反射作用后与纤芯中残留的反射光发生谐振耦合，由光纤解调仪获得干涉光谱。

包层模式发生全反射的条件主要与包层空气界面的有效折射率有关，在忽略温度的变化，包层折射率在一般情况下是不变的，外界空气的折射率改变可明显引起反射光谱峰值位置的变化，因而该传感器可以用来进行空气折射率、浓度和湿度检测；单模光纤的纤芯掺杂浓度较高，同样的温度变化情况下，热光耦合系数较高的光纤芯层折射率变化更大，因而温度的改变也能引起反射光谱峰值位置的变化，因而该传感器可以用来进行温度检测；光纤在应力状态不同的情况下，其长度会发生改变，光纤长度的改变能改变反射光谱衰减峰值位置，因而该传感器可以用来进行应力检测。干涉光谱的谐振衰减峰可以敏感地检测到温度、外界折射率及应力状态的变化，当外界环境中的物理状态发生微小变化时，干涉光谱谐振衰减峰的位置会发生相应漂移，通过光纤解调仪检测出谐振衰减峰波长位置变化得到外界物理参数的变化，从而达到传感器的效果。

其中，光纤接入段用于传感器与外接设备的连接，而模式激发器、光纤锥汇聚段和光纤半球反射段共同构成光纤传感段，用于对外界物理量的检测。

所述的微传感器可根据需要检测环境中特定分子的存在及浓度，在光纤锥外壁镀一层可跟目标检测气体反应或可吸收目标检测气体的物质薄膜，通过薄膜的特殊性质实现气体识别功能。

有益效果：

本发明设计了一种一体成型且结构简单的反射型光纤微型传感器。由于熔融拉锥的高温条件下，光纤在变细的过程中处于液体状态，在液体张力的限制作用下凝固成形可以保持较好的光纤表面，且在拉锥过程中不会破坏光纤包层与纤芯的分界，只有在光纤半球反射段的局部附近形成了均匀的无分界区，在很短的距离内破坏了光波导结构，但不影响反射光在光纤中的传播。该传感器采用熔融法拉制的光纤微锥具有优质的包层空气反射界面及球头反射端面，将纤芯外腔式干涉转变为纤芯包层模间干涉，克服了一体成型法布里帕罗光纤传感器干涉表面加工质量差的缺点，提高了干涉光谱质量，包括干涉强度和条纹品质因数等，有助于提高波长定位精度和传感器分辨率；采用飞秒激光脉冲技术、二氧化碳激光技术或熔融连接技术加工模式激发器实现光纤传播模式的精确耦合，具有一体成型、结构简单、机械强度高、加工柔性好等优点，克服了组装反射型光纤传感器稳定性差和难以微型化的缺点。该传感器具有较高的气体折射率检测灵敏度和分辨率，能够检测环境气体的浓度变化，例如机房二氧化硫的浓度监测等，还可以用于检测环境温度的变化，纯光纤结构使得该反射型光纤传感器在各种易燃易爆、高温高压以及食品卫生级的环境监测领域有广泛的应用。

附图说明

图1为一体成型光纤FPI传感器；

图2为组装型光纤FPI传感器。

图3为本发明干涉型反射探针式光纤微传感器结构示意图；

图4为实施例中微传感器加工过程中反射光谱变化图；

图5为实施例中微传感器检测气体折射率的灵敏度图；

图6为实施例中微传感器检测温度的灵敏度图；

图中，1-光纤接入段，2-模式激发器，3-光纤锥汇聚段，4-光纤半球反射段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明。

实施例

本发明的一种干涉型反射探针式光纤微传感器，如图3所示，其结构包括一体加工而成的光纤接入段1、光纤锥汇聚段3、光纤半球反射段4和模式激发器2；传感器材料选用康宁公司的SMF-28e光纤；

本发明的一种干涉型反射探针式光纤微传感器，具体的制备过程为：

步骤1）采用熔融法将一段光纤拉制成两段前段为锥段、前端端部为半球头反射面的传感器，使每个传感器的锥段长度为500μm，半球头反射面的球面直径为40μm；

步骤2）在光纤锥上距离光纤接入段100μm位置处采用飞秒激光脉冲技术在锥表面沿径向向内加工微孔，作为模式激发器，微孔的直径为7μm，微孔的加工深度达到光纤纤芯的一半。

加工微孔模式激发器时，采用脉冲宽度为35fs、波长800nm、重复频率1kHz、最高输出功率3.5W的飞秒激光脉冲，经光快门后由半波片和偏振片组成的光功率衰减器将飞秒激光平均功率降低到小于100mW，再利用密度滤光片和可调衰减片将光功率衰减至约0.9mW，然后经40倍浸液物镜聚焦到光纤锥表面上，光纤锥浸没在装有纯净水的透明容器中，容器固定在精度0.5μm的精密平移台上，通过由包括照明光源、物镜、长焦镜筒及CCD等组成的成像系统实时监控加工过程，在距离半球反射段端400μm的锥腰上加工出直径为7μm，深度为30μm的微孔，在接近光纤纤芯处时，实时记录光纤锥随加工深度而改变的反射光谱，如图4所示。在获得最好的干涉峰值（实验测得约为17dB）的反射光谱时可停止加工，整个过程利用水辅助方法去除光纤碎屑以保证加工效果。

在飞秒激光烧蚀到刚出现干涉光谱之前设置2μm进给步长的粗烧蚀加工，而在出现干涉效果之后到干涉峰最大的加工距离之内设置1μm步长的细烧蚀加工。本实施例中选用SMF-28e光纤加工出的传感结构的深度最优值稍大于加工部位半径值，大约为30μm。

通过气体流量计将不同流速的氮气和氦气注入到真空腔中充分混合获得目标体积分数的混合气体，我们测试了传感器对氮气和氦气不同体积混合比例的混合气体的折射率变化响应，反射光谱随混合气体折射率变化的实验结果如图5所示。图中横坐标为五组混合气体环境的折射率变化范围1.00011～1.00023，纵坐标为相应混合气体环境下选定的某一衰减峰的波长位置，针对波长位置变化对折射率变化做线性拟合结果可知，该传感器在气体变化单位1折射率时某一个衰减峰中心波长向短波长方向移动610.153nm，有很高的折射率灵敏度，经过波长折射率标定之后可用于检测环境中各种易燃易爆及有毒气体浓度的变化，经过标定后，将传感器置于未知混合比例的氮气和氦气中，将目标衰减峰的波长值代入拟合直线即可得到折射率值；我们将传感器置于温控炉中，温度以100℃为步长从100℃上升到1000℃并在各个温度点保温，获得不同温度环境下的选定的某一衰减峰的波长位置，实验测试结果如图6所示，图中横坐标为空气中不同的温度点，纵坐标为相应温度点下选定的某一衰减峰的波长位置，针对波长位置变化对温度变化做线性拟合结果可知，该传感器在温度变化单位1℃时某一个衰减峰中心波长向长波长方向移动10.8pm，表现出比较稳定的传感效应，经过标定后，将传感器置于未知温度的空气环境中，将目标衰减峰的波长值代入拟合直线即可得到温度值高低。

本实施实例的反射型微传感器根据飞秒激光加工微孔模式激发器2距离半球反射段4的长度不同，可以表现不同的灵敏度和自由光谱范围。长度越长，自由光谱范围越小，灵敏度越高。

Claims (5)

1.一种干涉型反射探针式光纤微传感器，其特征是：包括一体加工而成的光纤接入段、光纤锥汇聚段、光纤半球反射段和模式激发器；

光纤接入段为圆柱形的未加工裸光纤，光纤半球反射段为半球形结构，光纤锥汇聚段为光纤接入段向光纤半球反射段的锥形过渡；光纤接入段的直径为选用的光纤的直径；光纤半球反射段的球直径为光纤接入段直径的0.16～0.32倍，光纤锥汇聚段的长度为光纤接入段直径的2.5～4.8倍；

在光纤锥汇聚段上与光纤接入段的距离为0.2～0.3倍锥长的位置处向内径向开孔，作为模式激发器，模式激发器的开孔深度至光纤纤芯的一半。

2.如权利要求1所述的一种干涉型反射探针式光纤微传感器，其特征是：光纤接入段、光纤锥汇聚段和光纤半球反射段采用的材料为单模光纤、多模光纤、保偏光纤或光子晶体光纤。

3.一种干涉型反射探针式光纤微传感器的制作方法，其特征是具体步骤为：

步骤1）采用熔融法将一段光纤拉制成两段前段为锥段、前端端部为半球头反射面的传感器，使每个传感器的锥段长度为裸光纤直径的2.5～4.8倍，半球头反射面的球面直径为裸光纤直径的0.16～0.32倍；

步骤2）在光纤锥上距离光纤接入段0.2～0.3倍锥长位置处采用飞秒激光脉冲技术在锥表面沿径向向内加工微孔，作为模式激发器，微孔的直径为0.05～0.10倍裸光纤直径，微孔的加工深度达到光纤纤芯的一半。

4.如权利要求3所述的一种干涉型反射探针式光纤微传感器的制作方法，其特征是：微孔的加工过程采用水辅助方法去除光纤碎屑。

5.如权利要求3所述的一种干涉型反射探针式光纤微传感器的制作方法，其特征是：在步骤2）中加工的模式激发器采用二氧化碳激光技术加工或者采用熔融连接技术加工。