CN107490396A - 基于飞秒激光刻写波导的光纤线内马赫曾德干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于飞秒激光刻写波导的光纤线内马赫曾德干涉仪，包括宽带光源，传感头，光谱分析仪。其中传感头是由飞秒激光在单模光纤内刻写波导构成。其特征是：飞秒激光在单模光纤内刻写了三段依次连接的波导，与纤芯构成一个梯形结构。其中，第一段波导是与纤芯夹角为1.20的斜线，第二段波导为平行于纤芯的横线，第三段波导为与纤芯的夹角为1.20的斜线。三段波导结构刻写完成后，纤芯的光会被第一段斜线波导耦合出来并沿着第二段横向波导传播，最后通过第三段斜线波导耦合回纤芯。宽带光源的光通过传感头传输至光谱分析仪，形成马赫曾德干涉仪，测量透射光谱特征峰的波长漂移量，即可计算出被测环境参数的数值。本发明具有制备简单、成本低、体积小和灵敏度高的特点，可应用于温度及应变的测量。
Description
技术领域
本发明提供了一种基于飞秒激光刻写波导的光纤线内马赫曾德干涉仪，属于光纤传感技术。
背景技术
光纤传感器相对于传统传感器来说具有极高的灵敏度和分辨率，频带范围很宽，动态范围很大，不受电磁场干扰等优点，近年来在国防军事部、科研部门以及制造工业、能源工业、医疗等科学研究领域中都得到实际应用。传感器的发展趋势是灵敏、精确、适用性强、小巧和智能化。在众多光纤传感器中，基于马赫曾德的光纤传感器发展迅速，成为了光纤传感器研究领域的一个重要分支，广泛应用于结构内应变、应力、温度、压力、形变、振动和位移等物理量连续实时的安全检测，还可用于复合材料的固化状态的监测等。对于飞机、舰船、建筑等安全使用及完整性检测具有重要意义。温度作为航空航天、企业生产、工程制造等领域中的生产和控制的重要参数之一，对其检测的重要性日益凸显。与传统的温度传感器相比，光纤马赫曾德干涉仪具有体积小、重量轻、响应速度快、抗电磁干扰能力强等特点，可用于各种特殊环境参数检测。各种新颖的马赫曾德干涉仪及其制作方法也层出不穷，如基于内部具有空腔的微锥形光纤，光纤光栅和特种光纤等。对于第一种结构，其灵敏度有待提高；光纤光栅写入过程复杂，成本较高，且其结构的不稳定性在一定程度上限制了其应用；利用特种光纤制作的器件，其成本明显较高。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供一种基于飞秒激光刻写波导的光纤线内马赫曾德干涉仪，其结构坚固、制造简单、成本低、温度和应力灵敏度高。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：基于飞秒激光刻写波导的光纤线内马赫曾德干涉仪，包括宽带光源，传感头，光谱分析仪，其连接方式为：传感头一端与宽带光源连接，另一端和光谱分析仪相连接；其特征在于：所述的传感头，通过飞秒激光在光纤内刻写的三段依次相连的波导构成。其中， 第一段波导是与纤芯夹角为1.20的斜线，第二段波导为平行于纤芯的横线，第三段波导为与纤芯的夹角为1.20的斜线，三段波导和纤芯共同构成一个梯形结构。波导刻写完成后，纤芯的光会被第一段斜线波导耦合出来并沿着第二段横向波导传播，最后通过第三段斜线波导耦合回纤芯。在制作的过程中，三段波导的长度均可调整，以形成马赫曾德干涉仪所需要的传输谱。
所述（单模）光纤其纤芯直径和光纤直径分别为9μm和125μm。
1、传感头选用价格低廉的普通单模光纤，具有制作简单，成本低的优点。
2、传感头对于温度，应力都具有敏感性，可以用于对环境参数的同时测量。其对温度和应力变化反应敏感，均具有较高的灵敏度。
3、传感头比较坚固，在应力测试方面量程较大。
4、传感头的制作易于控制，可以通过改变波导的长度有效地控制其传输谱的波谷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的实施应用系统示意图。
图2为本发明的传感头结构示意图。
图中, 1.宽带光源，2.传感头，3.光谱分析仪，4.单模光纤，5. 单模光纤包层，6.单模光纤纤芯，7第一段斜线波导和光纤纤芯的夹角，8.第三段斜线波导和光纤纤芯的夹角，9.第一段斜线波导，10.第二段横线波导，11第三段斜线波导。
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
图1所示为本发明的实施应用系统示意图，包括宽带光源1、传感头2、光谱分析仪3。其连接方式为：宽带光源1与传感头2的一端连接，传感头2的另一端与光谱分析仪3相连接。
图2所示为本发明传感头2的结构示意图，所述的传感头2，由单模光纤4、第一段斜线波导9、第二段横线波导10和第三段斜线波导11构成。其中，单模光纤4包括单模光纤包层5，单模光纤纤芯6，第一段斜线波导和光纤纤芯的夹角为7，第三段斜线波导和光纤纤芯的夹角为8。
所述传感头2的制作方法及步骤是：第一步：利用飞秒激光在单模光纤内刻写第一段斜线波导9，其长度为2.2mm,第一段斜线波导和光纤纤芯的夹角8为1.20；第二步：刻写第二段横线波导10，其长度为0.2mm；第三步：刻写第三段斜线波导11，使其长度为2.2mm,第三段斜线波导和光纤纤芯的夹角7为1.20。在制作的过程中，我们可以通过调节三段波导的长度以及斜线波导和纤芯的夹角来改变该传感头的传输谱。在刻写波导期间，飞秒激光的能量调节为500nJ，扫描速度调整为10μm/s。
结合图1，2，介绍具体的工作原理：传感头2由飞秒激光在单模光纤4内刻写的三段相连的波导构成，传感头2接收来自宽带光源1发出的光束，此光束一部分沿单模光纤纤芯6传输，一部分沿着三段波导传输，在第三段斜线波导11的末端被耦合回纤芯，最后传输至光谱仪3中，以形成马赫曾德干涉仪的输出光谱。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应被理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (2)
1.基于飞秒激光刻写波导的光纤线内马赫曾德干涉仪，包括宽带光源，传感头，光谱分析仪，其连接方式为：传感头一端与宽带光源连接，另一端和光谱分析仪相连接；其特征在于：所述的传感头，由飞秒激光在光纤内刻写的三段依次相连的波导构成，其中， 第一段波导是与纤芯夹角为1.20的斜线，第二段波导为平行于纤芯的横线，第三段波导为与纤芯的夹角为1.20的斜线，三段波导和纤芯共同构成一个梯形结构，波导刻写完成后，纤芯的光会被第一段斜线波导耦合出来并沿着第二段横线波导传播，最后通过第三段斜线波导耦合回纤芯，在制作的过程中，三段波导的长度均可调整，以形成马赫曾德干涉仪所需要的传输谱。
2.根据权利要求1所述一种基于光纤的微型马赫曾德干涉仪的传感器装置,其特征是：所述（单模）光纤其纤芯直径和光纤直径分别为9μm和125μm。
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