CN107340271A - 一种在线调节光纤马赫‑曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的方法 - Google Patents

一种在线调节光纤马赫‑曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤传感器技术领域，提出一种在线调节光纤马赫‑曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的方法。通过对光纤马赫‑曾德干涉仪制作完成的台阶形锥施加多次微错位与弱放电，同时在光谱仪上观察干涉仪的输出干涉谱，实现对台阶形锥结构参数的在线扫描与对干涉光谱的在线调整，此方法通过只制作一个光纤结构可节省优化结构参数时间，降低光纤消耗，尤其光子晶体光纤等特种光纤，进而节省费用，此外还可以避免制作多个光纤结构过程中人为因素的影响，例如避免光纤端面切割不平整度等的影响，从而加速了光纤马赫‑曾德干涉仪结构与光谱优化进程。此外，此方法可获得插入损耗低且消光比高的高质量光谱。

Description

一种在线调节光纤马赫-曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的 方法
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，涉及一种在线调节光纤马赫-曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的方法。
背景技术
光纤马赫-曾德干涉仪由于其结构紧凑、体积小、灵敏度高、响应速度快等优点已被广泛应用于各种参数的测量，包括温度、折射率、应力等。光纤马赫-曾德干涉仪通常在光纤中串联两个特殊结构，例如拉锥结构、凸锥结构、错位结构、花生结构、光子晶体光纤塌陷区等，其中一个结构作为光束分光器，将纤芯中传输的光部分耦合到包层中传输，另外一个结构作为光束合光器，将包层中的光重新耦合到纤芯中，从而使纤芯中的光和包层中的光在合光器处发生干涉。目前，优化上述光纤干涉仪的光谱质量需要制作多个干涉仪结构。
发明内容
本发明的目的是克服目前优化光纤马赫-曾德干涉仪的光谱质量需要制作多个干涉仪结构，引起操作不便，光纤材料尤其光子晶体光纤等特种光纤材料浪费，花费较高，包含多次切割易造成操作误差等问题，提出一种操作便利、可通过单个光纤马赫-曾德干涉仪结构实现的光谱质量在线调整方法。通过对光纤马赫-曾德干涉仪制作完成的台阶形锥施加多次微错位与弱放电，同时在光谱仪上观察干涉仪的输出干涉谱，实现对台阶形锥结构参数的在线扫描与对干涉光谱的在线调整，加速基于台阶形锥光纤马赫-曾德干涉仪光谱质量优化的进程。
本发明的具体技术方案为：一种在线调节光纤马赫-曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的方法，包括如下步骤：
步骤1，制备光纤马赫-曾德干涉仪；
1.1将一条单模光纤切割成三段，位置顺序不变，在熔接机中分别对两组光纤的切割端面施加放电强度为100～150unit，放电时间为800～1200ms的强电弧放电，制得光纤半锥；
1.2通过调节熔接机的马达径向移动，对一组光纤半锥在径向进行错位量为4～7μm的错位，之后对径向错位放置的两个光纤半锥进行熔接，形成第一台阶形锥；
1.3对另一组光纤半锥在径向进行与步骤1.2相同程度的错位后熔接，形成第二台阶形锥；得到具有对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪；
步骤2，在线调整，获得最优干涉光谱；
2.1将步骤1.3制备得到的具有对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪的一端连接宽谱光源，另一端连接光谱分析仪；
2.2对第二台阶形锥进行错位量为4～7μm的微错位与放电强度为100～150unit，放电时间为150～200ms的弱放电，光纤马赫-曾德干涉仪具有非对称台阶形锥；
2.3通过光谱分析仪记录具有非对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪的干涉光谱，并读取其光谱消光比及插入损耗；
2.4重复步骤2.2和2.3，通过比较光谱消光比及插入损耗的参数性能，直至获得最优干涉光谱。
进一步地，上述步骤1.2和步骤1.3的熔接程序参数为：预熔时间为140～180ms，放电强度90～110unit，放电时间700～900ms，端面间距离0～5μm，Z推进距离15～20μm。
本发明的有益效果是，本发明提出的一种在线调节光纤马赫-曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的方法，此方法通过只制作一个光纤干涉仪可节省优化结构参数时间，降低光纤消耗，尤其光子晶体光纤等特种光纤，进而节省费用，此外还可以避免制作多个光纤结构过程中人为因素的影响，例如避免光纤端面切割不平整度等的影响，从而改善并加速了光纤马赫-曾德干涉仪结构与光谱优化的进程。此外，此方法可获得插入损耗低且消光比高的高质量光谱。
附图说明
图1为具有非对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪的结构原理图。
图2为台阶形光纤锥的制作过程示意图；其中，(a)为对切割好的光纤端面施加强电弧放电示意图；(b)光纤半锥结构示意图；(c)为对两个半锥在径向施加6μm错位后放电熔接示意图；(d)为制得初始台阶形锥结构示意图；(e)为对第二台阶形锥施加5μm微位移与弱放电示意图；(f)为施加微位移与弱放电后所得第二台阶形锥结构示意图。
图3为台阶形光纤锥的制作过程实物图；其中，(a)为对切割好的光纤端面施加强电弧放电熔接机中实物图；(b)光纤半锥结构熔接机中实物图；(c)为对两个半锥在径向施加6μm错位后放电熔接熔接机中实物图；(d)为制得台阶形锥结构熔接机中实物图。
图4为对第二台阶形锥在Y方向施加不同次数的5μm微错位与放电强度为100unit，放电时间为200ms的弱放电后所获得的干涉光谱图。
图5为图4中干涉谱的消光比及插入损耗与微错位和弱放电次数的关系。
图6为对第二台阶形锥在X方向与Y方向交替施加5μm微错位与放电强度为100unit，放电时间为170ms的弱放电后所获得的干涉光谱图。
图7为图6中干涉谱的消光比及插入损耗与微错位和弱放电次数的关系。
图8为光纤马赫-曾德干涉仪折射率传感实验系统图。
图9为所得优化的光纤马赫-曾德干涉仪在不同环境折射率下的干涉光谱图。
图10为所得优化的光纤马赫-曾德干涉仪干涉谷波长与折射率的线性拟合关系。
图中：1第一台阶形锥；2第二台阶形锥；3熔接机的左侧马达；
4熔接机的右侧马达；5熔接机的放电电极；6宽谱光源；7输入单模光纤；
8光纤马赫-曾德干涉仪结构；9液体池；10输出单模光纤；11光谱分析仪。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合本发明具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、制作过程、及性能优化过程作进一步的详细说明。
实施例1
一种在线调节光纤马赫-曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的方法，具有非对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪的结构及干涉原理如图1所示。在第二台阶形锥处，入射光纤纤芯中的光一部分被激发到中间段光纤的包层中，另一部分光在纤芯中向前传播，在第一台阶形锥处，中间段光纤包层中的光被耦合回到纤芯中传播，此部分包层中的光与纤芯中的光相遇并形成干涉。第二台阶形锥与第一台阶形锥分别起到光束分离和光束耦合的作用。当第二台阶形锥的结构参数发生变化时，其光束分离能力将发生变化，引起纤芯中光与包层中光能量比例的变化，故调整第二台阶形锥的尺寸可引起干涉光谱消光比与插入损耗等参数的改变。
一种在线调节光纤马赫-曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的方法，包括如下步骤：
步骤1，制备光纤马赫-曾德干涉仪；
1.1将一条单模光纤切割成三段，位置顺序不变，在熔接机中分别对两组光纤的切割端面在熔接机中施加放电强度为100unit，放电时间为1000ms的强电弧放电，其示意图及实物图如图2(a)和图3(a)所示。通过如上操作，可制作光纤半锥，半锥结构如图2(b)和图3(b)所示。所使用熔接机为古河熔接机，型号为S178。
1.2通过调节熔接机的马达径向移动，对一组光纤半锥在径向进行6μm错位，之后对径向错位放置的两个光纤半锥进行熔接，操作过程如图2(c)和图3(c)所示，形成第一台阶形锥，其结构如图2(d)和图3(d)，熔接的方式为手动熔接，熔接程序参数为：预熔时间为160ms，放电强度100unit，放电时间750ms，端面间距离0μm，Z推进距离15μm。
1.3对另一组光纤半锥在径向进行与步骤1.2相同程度的错位后熔接，形成第二台阶形锥；得到具有对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪；
步骤2，在线调整，获得最优干涉光谱；
2.1将步骤1.3制备得到的具有对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪的一端连接宽谱光源，另一端连接光谱分析仪；
2.2对第二台阶形锥进行错位量为5μm的微小错位与放电强度为100unit，放电时间为200ms的弱放电，操作示意如图2(e)所示，所得具有大错位量的第二台阶形锥示意图如图2(f)，光纤马赫-曾德干涉仪具有非对称台阶形锥；
2.3通过光谱分析仪记录具有非对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪的干涉光谱，并读取其光谱消光比及插入损耗；
2.4重复步骤2.2和2.3，通过比较光谱消光比及插入损耗的参数性能，直至获得最优干涉光谱。
图4为采用上述制作步骤，对第二台阶形锥在Y方向施加不同次数的5μm微错位与强度为100unit时间为200ms弱放电后所获得的干涉光谱图。图5为图4中干涉谱的消光比及插入损耗与微错位和弱放电次数的关系，可以看出随着微错位与弱放电次数的增加，插入损耗增加，同一干涉光谱中最大消光比先增加后减小。当微错位与弱放电次数为6次时，干涉光谱的最大消光比取最高，为23.99dB，此时插入损耗为-19.52dB。
实施例2
为获得具有较高消光比干涉光谱同时降低干涉仪的插入损耗，提出一种在线调节光纤马赫-曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的方法，包括如下步骤：
步骤1，制备光纤马赫-曾德干涉仪，同实施例1；
步骤2，在线调整，获得最优干涉光谱；
2.1将步骤1.3制备得到的具有对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪的一端连接宽谱光源，另一端连接光谱分析仪；
2.2对第二台阶形锥在X方向与Y方向交替进行错位量为5μm的微错位，并施加放电强度为100unit，放电时间为170ms的弱放电，光纤马赫-曾德干涉仪具有非对称台阶形锥；
2.3通过光谱分析仪记录具有非对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪的干涉光谱，并读取其光谱消光比及插入损耗；
2.4重复步骤2.2和2.3，通过比较光谱消光比及插入损耗的参数性能，直至获得最优干涉光谱。
图6为第二台阶形锥在X方向与Y方向交替施加不同次数的5μm微错位与强度为100unit时间为170ms弱放电后所获得的干涉光谱图。图7为图6中干涉谱的消光比及插入损耗与微错位和弱放电次数的关系。结合图6与图7可知，随着微错位与弱放电次数的增加，插入损耗增加，同一干涉光谱中最大消光比先增加后减小。当微错位与弱放电次数为6次时，干涉光谱的最大消光比取最高，为25.69dB，此时插入损耗为-11.67dB。在实施例1中，当微错位与弱放电次数为6次时，干涉光谱的最大消光比取最高，为23.99dB，此时插入损耗为-19.52dB。此改进方法与实施例1中初始方法所获得光谱质量的对比如表1所示，通过对比可知，此改进方法在获得相似消光比时，引起的插入损耗明显降低。
表1使用改进的优化方法与初始优化方法所获得干涉光谱性能的对比表
对上述获得优化的光纤马赫-曾德干涉仪进行折射率测量实验，所采用折射率传感实验系统如图8所示。
图9为所得优化的光纤马赫-曾德干涉仪在不同环境折射率下的干涉光谱图。如图9所示，优化的光纤马赫-曾德干涉仪在水中(折射率为1.3333)具有高质量光谱，其最大消光比高为18.64dB，插入损耗低为-10.3dB。当折射率由1.3333增加到1.3673时，光谱最大消光比由18.64dB增加到23.99dB。随着待测液体折射率的升高，干涉光谱向短波长方向移动。通过对干涉谷波长与环境折射率的关系进行线性拟合，可获得此干涉仪的折射率测量灵敏度，如图10所示对于干涉谷A与干涉谷B，折射率测量灵敏度分别为-185.79nm/RIU和-173.2nm/RIU。
通过此方法优化的干涉仪性能与其他单模光纤马赫-曾德干涉仪性能对比如表2所示，表中L为干涉长度(cm)；d1和L1分别为拉锥结构的锥腰直径(μm)和锥区长(μm)；d2为径向错位量(μm)。此干涉仪的折射率灵敏度与双锥干涉仪(文献1.Wang,Q.,Wei,W.Q.,Guo,M.J..Optimization of cascaded fiber tapered Mach–Zehnder interferometer andrefractive index sensing technology,”Sens.Actuators B,Chem.,2016,222,159-165.)具有相当的灵敏度，但插入损耗比双锥干涉仪小12.4dB。纤芯错位干涉仪(文献2.YaoQ,Meng H,Wang W,et al.Simultaneous measurement of refractive index andtemperature based on a core-offset Mach–Zehnder interferometer combined witha fiber Bragg grating[J].Sensors&Actuators A Physical,2014,209(1):73–77.)相比此干涉仪有更高消光比，然而，其插入损耗-35.8dB比此干涉仪高25.5dB，且折射率灵敏度13.67nm/RIU不到此干涉仪的十分之一。通过表2可看出，此方法优化的干涉仪相比于双锥干涉仪、三锥串联干涉仪(文献3.Tao Zhu,Wu D,Deng M,et al.Refractive IndexSensing Based on Mach-Zehnder Interferometer Formed by Three Cascaded Single-Mode Fiber Tapers[J].Applied Optics,2011,50(11):1548.)、纤芯错位干涉仪、拉锥与纤芯错位结合干涉(文献4.Zhao,Y.,Li,X.G.,Cai,L..A highly sensitive Mach–Zehnderinterferometric refractive index sensor based on core-offset single modefiber[J]Sens.Actuators A,Phys.,2015,223,119-124.)，具有干涉光谱质量高，干涉长度短，折射率测量灵敏度高等综合优势。
表2改进优化方法所获得的干涉仪性能与其他单模光纤马赫-曾德干涉仪的性能对比表

Claims (2)

1.一种在线调节光纤马赫-曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制备光纤马赫-曾德干涉仪；
1.1将一条单模光纤切割成三段，位置顺序不变，在熔接机中分别对两组光纤的切割端面施加放电强度为100～150unit，放电时间为800～1200ms的强电弧放电，制得光纤半锥；
1.2通过调节熔接机的马达径向移动，对一组光纤半锥在径向进行错位量为4～7μm的错位，之后对径向错位放置的两个光纤半锥进行熔接，形成第一台阶形锥；
1.3对另一组光纤半锥在径向进行与步骤1.2相同程度的错位后熔接，形成第二台阶形锥；得到具有对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪；
步骤2，在线调整，获得最优干涉光谱；
2.1将步骤1.3制备得到的具有对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪的一端连接宽谱光源，另一端连接光谱分析仪；
2.2对第二台阶形锥进行错位量为4～7μm的微错位与放电强度为100～150unit，放电时间为150～200ms的弱放电，光纤马赫-曾德干涉仪具有非对称台阶形锥；
2.3通过光谱分析仪记录具有非对称台阶形锥的光纤马赫-曾德干涉仪的干涉光谱，并读取其光谱消光比及插入损耗；
2.4重复步骤2.2和2.3，通过比较光谱消光比及插入损耗的参数性能，直至获得最优干涉光谱。
2.根据权利要求1所述的一种在线调节光纤马赫-曾德干涉仪获得高质量干涉光谱的方法，其特征在于，所述步骤1.2和步骤1.3的熔接程序参数为：预熔时间为140～180ms，放电强度90～110unit，放电时间700～900ms，端面间距离0～5μm，Z推进距离15～20μm。
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