CN104345046A - 光纤干涉仪、光纤传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤干涉仪、光纤传感器及其制作方法。制作方法包括：S1：将柚子型光子晶体光纤的一端与单模光纤的一端熔接，以在熔接点处形成作为第一反射面的第一薄膜；S2：对柚子型光子晶体光纤的另一端的端面进行单次或多次放电，以形成作为第二反射面的第二薄膜，从而形成光纤传感器。利用本发明中的制作方法，可使传感器微型化、一体化、结构简单、制作容易、机械强度大、可靠性高、重复性好、抗电磁干扰、价格低廉，实现折射率、温度双参数同时测量，可消除温度对折射率测量的影响；特别的是，该传感器可在高达1200℃的温度下正常工作，并可用于高温测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器领域，特别地涉及一种光纤干涉仪、光纤传感器及其制作方法。
背景技术
折射率是物质的一种基本属性，在许多工程材料中是非常重要的一个参数，此外它还是工程上测量熔液浓度的重要途径，因而折射率的测量具有重要的实际应用意义，研究开发新型实用的折射率传感器尤为重要。
折射率的测量方法有很多，目前较常用的是阿贝折射仪和瑞利干涉仪，但是这些折射率计体积较大、成本非常高，并且不能在恶劣环境下使用，限制了其在许多领域内的使用。近年来，光纤传感器以其体积小、抗电磁干扰、可用于恶劣环境等突出优点已在航天、船舶、大坝、环境监测、化工生物等领域得到广泛应用。在折射率测量方面，光纤传感器主要有光纤光栅型、迈克尔逊干涉仪型、马赫曾德干涉仪型、萨格纳克干涉仪型和珐布里珀罗干涉仪型。其中，珐布里珀罗干涉仪又以体积小、稳定性好、抗弯曲及应变能力强、集成度高等突出优点在折射率测量方面得到更加青睐。
对于物质的折射率，其会受到温度的影响，因而一个优良的折射率计在测量折射率时还应拥有温度测量的能力，例如：专利申请号CN200710088067.5公开号CN101034007的中国发明专利“光纤法珀传感器及其制造方法”提供了通过激光对单模光纤进行加工形成微槽型法珀干涉仪，其拥有温度、折射率双参数同时测量的能力。但这种珐珀传感器制作需飞秒激光器，而且多腔体结构使信号处理麻烦。专利申请号CN200810069753.2公开号CN101303300A的中国发明专利“微型光纤F-P传感器及制作方法、基于传感器的液体测试仪”提供了通过在一段光子晶体光纤的两端熔接单模光纤形成温度、折射率双参数测量的珐珀干涉仪制作方法，这种传感器对光纤的熔接技术和切割技术都要求非常高。
但无一例外，上述结构的光纤珐珀传感器结构复杂，对制作工艺要求高，不利于工业广泛应用。因此，急需一种制作简单、可靠性高、体积小、抗电磁干扰、价格低廉，可实现温度、折射率同时测量的微型光纤F-P传感器及其制作方法。
发明内容
本发明提供一种制作简单、可靠性高、体积小、抗电磁干扰、价格低廉，可实现温度、折射率同时测量的光纤干涉仪、光纤传感器及其制作方法。
为解决上述问题，作为本发明的第一方面，提供了一种光纤传感器的制作方法，包括：S1：将柚子型光子晶体光纤的一端与单模光纤的一端熔接，以在熔接点处形成作为第一反射面的第一薄膜；S2：对柚子型光子晶体光纤另一端的端面进行单次或多次放电，以形成作为第二反射面的第二薄膜，从而形成光纤传感器。
作为本发明的第二方面，提供了一种光纤传感器，包括：柚子型光子晶体光纤和单模光纤，柚子型光子晶体光纤与单模光纤的熔接点处形成作为第一反射面的第一薄膜，柚子型光子晶体光纤的非熔接端形成作为第二反射面的第二薄膜。
进一步地，第一薄膜是通过二氧化碳激光或熔接机电弧放电加热柚子型光子晶体光纤以使其空气孔塌陷而形成的。
进一步地，第二薄膜是通过二氧化碳激光或熔接机电弧放电对柚子型光子晶体光纤端面进行放电以使其空气孔塌陷而形成的。
进一步地，第一薄膜和/或第二薄膜的厚度为10～60μm，优选地，为26μm或35μm。
进一步地，柚子型光子晶体光纤为多模光子晶体光纤。
进一步地，柚子型光子晶体光纤的实芯部分的芯径为3～6μm，其周围均匀分布6个直径为10.5±0.2μm的空气孔，柚子型光子晶体光纤的外径为114±1μm。
进一步地，单模光纤的纤芯直径为8.2±0.1μm，外径为125±1μm，柚子型光子晶体光纤的长度为0.01～10mm。
作为本发明的第三方面，提供了一种光纤干涉仪，包括用于可同时检测折射率和温度的传感器，该传感器是上述的光纤传感器。
利用本发明中的制作方法，可使传感器微型化、一体化、结构简单、制作容易、机械强度大、可靠性高、重复性好、抗电磁干扰、价格低廉，实现折射率、温度双参数同时测量，可消除温度对折射率测量的影响；特别的是，该传感器可在高达1200℃的温度下正常工作，并可用于高温测量。
附图说明
图1是用于制作本发明中的光纤传感器的柚子型光子晶体光纤的截面示意图；
图2是本发明中的光纤传感器的结构示意图；
图3为本发明中的光纤传感器的反射干涉谱；
图4为本发明中的光纤传感器的对比度与折射率的关系图；
图5为本发明中的光纤传感器的波长与温度的关系图。
具体实施方式
作为本发明的第一个方面，请参考图1和图2，提供了一种光纤传感器（特别是一种光纤珐珀传感器）的制作方法，包括：
S1：将柚子型光子晶体光纤1（特别是多模光子晶体光纤）的一端与单模光纤2（特别地，可以为通信单模光纤）的一端熔接，以在熔接点处形成作为第一反射面的第一薄膜3；优选地，所述熔接通过二氧化碳激光或熔接机电弧放电加热方式实现。这样，就可以利用二氧化碳激光或熔接机电弧放电加热柚子型光子晶体光纤以使其空气孔塌陷从而形成第一薄膜3。优选地，步骤S1中采用的单模光纤2的纤芯直径为8.2±0.1μm，外径为125±1μm。优选地，步骤S1中采用的柚子型光子晶体光纤1的长度为0.01～10mm。进一步地，请参考图1，柚子型光子晶体光纤1的实芯部分的芯径为3～6μm，其周围均匀分布6个直径为10.5±0.2μm的空气孔5，柚子型光子晶体光纤1的外径为114±1μm。
优选地，形成第一薄膜3电弧放电的具体参数为：放电能量为70-80个熔接机放电熔接能量单位、预放电时间为150-170ms、放电持续时间为1000-1200ms、放电次数为1次。在一个实施例中，放电能量为70；预放电时间为150ms；放电持续时间为1200ms。特别地，可采用Furukawa S176型熔接机。
S2：对柚子型光子晶体光纤1的另一端的端面进行单次或多次放电，以形成作为第二反射面的第二薄膜4，从而形成光纤珐珀传感器。优选地，所述放电通过电弧放电实现。这样，就可以是通过对柚子型光子晶体光纤进行放电以使其空气孔塌陷从而形成第二薄膜4。
优选地，第二薄膜4的放电的参数为：光纤端面与电极轴向偏置距离：40-60μm、放电能量为50-60个熔接机放电熔接能量单位、预放电时间为150-170ms、放电持续时间为900-1000ms、放电次数为4-6次。在一个实施例中，轴向偏置距离为50μm；放电能量为60；预放电时间为150ms；放电持续时间为900ms。特别地，可采用Furukawa S176型熔接机。
优选地，所述方法还包括：在所述步骤S1与S2之间，按照设计长度切割柚子型光子晶体光纤1的非熔接端的步骤。优选地，第一薄膜和/或第二薄膜的厚度为10～60μm。
请参考图2，本发明中的制作方法将一段柚子型光子晶体光纤1与一根普通通信单模光纤2相熔接形成，在熔接点和柚子型光子晶体光纤的端面分别有一层薄膜（即第一薄膜3和第二薄膜4），进一步地，第一薄膜和第二薄膜分别由柚子型光子晶体光纤的空气孔被电弧放电加热塌陷形成，这两个薄膜构成了光纤F-P干涉仪所需的两个反射面。
利用本发明中的制作方法，可使传感器微型化、一体化、结构简单、制作容易、机械强度大、可靠性高、重复性好、抗电磁干扰、价格低廉，实现折射率、温度双参数同时测量，可消除温度对折射率测量的影响；特别的是，该传感器可在高达1200℃的温度下正常工作，并可用于高温测量。
作为本发明的第二个方面，请参考图2，提供了一种光纤传感器，包括：柚子型光子晶体光纤1和单模光纤2，柚子型光子晶体光纤1与单模光纤2的熔接点处形成作为第一反射面的第一薄膜3，柚子型光子晶体光纤1的非熔接端形成作为第二反射面的第二薄膜4。优选地，柚子型光子晶体光纤1为多模光子晶体光纤。优选地，柚子型光子晶体光纤1的长度为0.01～10mm，优选地，为747μm。优选地，单模光纤2的纤芯直径为8.2±0.1μm，外径为125±1μm。
优选地，第一薄膜3是通过二氧化碳激光或熔接机电弧放电加热柚子型光子晶体光纤以使其空气孔塌陷而形成的。
优选地，第二薄膜4是通过二氧化碳激光或熔接机电弧放电对柚子型光子晶体光纤的端面进行放电加热以使其空气孔塌陷而形成的。
优选地，第一薄膜和/或第二薄膜的厚度为10～60μm，优选地，为26μm或35μm。
优选地，柚子型光子晶体光纤1的实芯部分的芯径为3～6μm，其周围均匀分布6个直径为10.5±0.2μm的空气孔5，柚子型光子晶体光纤1的外径为114±1μm。
图3示出了本发明中的光纤传感器的反射干涉谱，其干涉信号对比度达9dB。图4示出了本发明中的光纤传感器的折射率响应特性，其折射率灵敏度可达21.52dB/RIU(RI unit)。图5示出了本发明中的光纤传感器的温度响应特性，其温度灵敏度为7pm/℃。
因外界环境折射率和温度分别影响该传感器干涉信号的对比度和波长，所以该传感器及传感装置可用于温度和折射率的同时测量。特别的是，该传感器的传感头部分为柚子型光子晶体光纤，可耐高温，因而可用于高温测量，最高测量温度达1200℃。
作为本发明的第三个方面，提供了一种光纤干涉仪（特别是一种光纤F-P干涉仪），包括用于可同时检测折射率和温度的传感器，该传感器是上述的光纤传感器。
Claims (9)
1.一种光纤传感器的制作方法，其特征在于，包括：
S1：将柚子型光子晶体光纤（1）的一端与单模光纤（2）的一端熔接，以在熔接点处形成作为第一反射面的第一薄膜（3）；
S2：对所述柚子型光子晶体光纤（1）的另一端的端面进行单次或多次放电，以形成作为第二反射面的第二薄膜（4），从而形成所述光纤传感器。
2.一种光纤传感器，其特征在于，包括：柚子型光子晶体光纤（1）和单模光纤（2），所述柚子型光子晶体光纤（1）与所述单模光纤（2）的熔接点处形成作为第一反射面的第一薄膜（3），所述柚子型光子晶体光纤（1）的非熔接端形成作为第二反射面的第二薄膜（4）。
3.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一薄膜（3）是通过二氧化碳激光或熔接机电弧放电加热所述柚子型光子晶体光纤以使其空气孔塌陷而形成的。
4.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述第二薄膜（4）是通过二氧化碳激光或熔接机电弧放电对所述柚子型光子晶体光纤的端面进行放电加热以使其空气孔塌陷而形成的。
5.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一薄膜和/或所述第二薄膜的厚度为10～60μm，优选地，为26μm或35μm。
6.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述柚子型光子晶体光纤（1）为多模光子晶体光纤。
7.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述柚子型光子晶体光纤（1）的实芯部分的芯径为3～6μm，其周围均匀分布6个直径为10.5±0.2μm的空气孔，所述柚子型光子晶体光纤（1）的外径为114±1μm。
8.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述单模光纤（2）的纤芯直径为8.2±0.1μm，外径为125±1μm，所述柚子型光子晶体光纤（1）的长度为0.01～10mm。
9.一种光纤干涉仪，包括用于可同时检测折射率和温度的传感器，其特征在于，所述传感器是权利要求2至8中任一项所述的光纤传感器。
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