CN107941390A - 光纤法珀传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤法珀传感器及其制造方法。其中，光纤法珀传感器包括：中空管体，其具有沿着轴线方向依次布置的第一管体、空腔部和第二管体；第一光纤，其沿着轴线方向设置在第一管体内，第一光纤具有设置在空腔部内的第一导光端面；以及第二光纤，其沿着轴线方向设置在第二管体内，第二光纤具有设置在空腔部内的第二导光端面，第一导光端面与第二导光端面相隔预设距离而相对设置，空腔部的内径大于第一管体和第二管体当中的任一个管体的内径。根据本发明，能够提供一种提高灵敏度的光纤法珀传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤法珀传感器及其制造方法。
背景技术
近年来，随着国防、航空航天、能源、环境、电力、汽车等领域的迅猛发展，对传感器的微型化、低耗能、耐恶劣环境等要求提出了更高的要求。光纤式传感器因其具有较好的隐身性，较高的测量精度和灵敏度、较快的动态响应速度，测量范围宽，本质安全，不受电磁干扰等优点，受到越来越多的关注。
目前，常用的单点式光纤式传感器主要包括光纤光栅式传感器、光纤马赫-增德尔式传感器、光纤法珀传感器等。然而，光纤光栅传感器对温度比较敏感，在实际应用时(特别是在高温环境下)会带来较大的交叉干扰。光纤马赫-增德尔传感器由于其简单的结构也受到较多的研究，但其灵敏度低、体积相对大，在实际应用中较为受限。相对而言，光纤法珀传感器因尺寸小、结构简单、灵敏度高等特点，应用比较广泛。其中，光纤法珀应变传感器、光纤法珀拉力传感器以及光纤法珀压力传感器等被广泛应用于国防安全、航空航天、大型建筑的健康监测等领域。然而，现有的光纤法珀传感器灵敏度仍不够理想，存在很多改善的余地。
发明内容
本发明是鉴于上述现有状况而作出的，其目的在于提供一种改善测量灵敏度的光纤法珀传感器及其制造方法。
为此，本发明的第一方面提供了一种光纤法珀传感器，其包括：中空管体，其具有沿着轴线方向依次布置的第一管体、空腔部和第二管体；第一光纤，其沿着所述轴线方向设置在所述第一管体内，所述第一光纤具有设置在所述空腔部内的第一导光端面；以及第二光纤，其沿着所述轴线方向设置在所述第二管体内，所述第二光纤具有设置在所述空腔部内的第二导光端面，所述第一导光端面与所述第二导光端面相隔预设距离而相对设置，所述空腔部的内径大于所述第一管体和所述第二管体当中的任一个管体的内径。
在本发明的第一方面中，在中空管体中，第一光纤的第一导光端面与第二光纤的第二导光端面设置在空腔部内，并且相隔预设距离而相对设置，因此，在利用本发明的光纤法珀传感器进行测量时，能够通过空腔部的薄壁来传递外部的力学参数(应力、拉力、压力等)变化，并且通过第一光纤的端面与第二光纤的端面所形成的法珀腔长度的变化来有效地反映相应的力学参数的变化，因此，本发明所涉及的光纤法珀传感器能够有效地提高目标力学参数的测量灵敏度。
本发明的第二方面提供了一种光纤法珀传感器，包括：中空管体，其具有沿着轴线方向依次布置的第一管体、空腔部和第二管体；第一光纤，其具有与所述第一管体的端部相接的第一导光端面；以及第二光纤，其具有与所述第二管体的端部相接的第二导光端面，所述第一导光端面与所述第二导光端面隔着所述中空管体而相对设置，并且所述空腔部的内径大于所述第一管体和所述第二管体当中的任一个管体的内径。
在本发明的第二方面中，第一光纤的第一导光端面与第二光纤的第二导光端面分别设置在中空管体的两端，因此，在利用本发明的光纤法珀传感器进行测量时，能够通过空腔部的薄壁来传递外部的力学参数(应力、拉力、压力等)变化，并且通过第一光纤的端面与第二光纤的端面所形成的法珀腔长度的变化来有效地反映相应的力学参数的变化，因此，本发明所涉及的光纤法珀传感器能够有效地提高目标力学参数的测量灵敏度。
另外，在本发明的第一方面或第二方面所涉及的光纤法珀传感器中，所述第一光纤可以熔接于所述第一管体，所述第二光纤可以熔接于第二管体。在这种情况下，能够有效在位于第一管体与第二管体之间的空腔部形成密闭的腔体，从而提高绝对压力的测量灵敏度。
另外，在本发明的第一方面或第二方面所涉及的光纤法珀传感器中，所述第一光纤和所述第二光纤为单模光纤、多模光纤、保偏光纤或光子晶体光纤。在这种情况下，即使是所述第一光纤和所述第二光纤是单模光纤、多模光纤、保偏光纤或光子晶体光纤，也能够确保灵敏度。
另外，在本发明的第一方面或第二方面所涉及的光纤法珀传感器中，所述第一管体、所述空腔部和所述第二管体连续地形成，并且所述第一管体的中心对称轴与所述第二管体的中心对称轴重合。在这种情况下，由于第一管体、空腔部与第二管体连续地形成，因此，第一管体、空腔部与第二管体能够形成更加密闭的空间，由此能够提高灵敏度。
另外，在本发明的第一方面或第二方面所涉及的光纤法珀传感器中，所述第一光纤的所述第一导光端面与所述轴线方向垂直，并且所述第二光纤的所述第二导光端面与所述轴线方向垂直。
另外，在本发明的第一方面或第二方面所涉及的光纤法珀传感器中，所述中空管体具有中心对称线，所述空腔部绕着所述中心对称线而形成为旋转对称结构。在这种情况下，由于空腔部为绕着中心对称线的旋转对称结构，因此，空腔部能够均匀地感应力学参数的变化，由此能够进一步提高光纤法珀传感器的灵敏度。
另外，在本发明的第一方面或第二方面所涉及的光纤法珀传感器中，在所述中空管体中，在所述第一管体与所述第二管体之间布置有两个以上的所述空腔部。由此，能够进一步提高光纤法珀传感器的灵敏度。
另外，在本发明的第一方面或第二方面所涉及的光纤法珀传感器中，所述第一光纤与所述中空管体形成有第一熔接处，所述第二光纤与所述中空管体形成有第二熔接处，在所述第一熔接处与所述第二熔接处之间的所述中空管体中。
另外，在本发明的第一方面或第二方面所涉及的光纤法珀传感器中，所述第一管体、所述空腔部和所述第二管体连续地形成，并且所述第一管体与所述第二管体的中心对称轴重合。优选地，所述第一管体、所述空腔部与所述第二管体一体成型。在这种情况下，能够提高中空管体的密封性，有利于提高灵敏度。
此外，在本发明的第一方面或第二方面所涉及的光纤法珀传感器中，所述中空管体为石英玻璃管、耐高温玻璃管、空心光纤或光子晶体光纤。在这种情况下，能够提高中空管体的耐高温能力和改善中空管体的工艺适用性。
本发明的第三方面提供了一种光纤法珀传感器的制造方法，其包括：准备中空管体，并且对位于所述中空管体预设部位的所述中空管体的壁厚进行减薄；在所述中空管体填入热膨胀性物质，密封所述中空管体的两端；对所述中空管体进行加热，使所述预设部位热膨胀而形成空腔部，由此形成包括依次布置的第一管体、所述空腔部和第二管体的中空管体；将第一光纤固定于所述第一管体，将第二光纤固定于所述第二管体，并且使所述第一光纤的第一导光端面与所述第二光纤的第二导光端面设置在所述空腔部内且相隔预设距离。
在本发明的第三方面中，通过利用在中空管体的预设部位进行减薄，使其壁厚减小，因此，当在中空管体填充热膨胀性物质并且进行加热时，该预设部位的中空管体会膨胀形成空腔部，接着将第一光纤和第二光纤熔接于该中空管体，并且使第一光纤的导光端面与第二光纤的导光端面相隔设置，由此能够形成灵敏度得以改善的光纤法珀传感器。
本发明的第四方面提供了一种光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于：包括：准备中空管体，并且对位于所述中空管体预设部位的壁厚进行减薄；在所述中空管体填入热膨胀性物质，密封所述中空管体的两端；对所述中空管体进行加热，使所述预设部位热膨胀而形成空腔部，由此形成包括依次布置的第一管体、所述空腔部和第二管体的中空管体；将第一光纤的端面固定于所述第一管体的端部，将第二光纤的端面固定于所述第二管体的端部，并且使所述第一光纤的端面与所述第二光纤的端面相对设置。
在本发明的第四方面中，通过利用在中空管体的预设部位进行减薄，使其壁厚减小，因此，当在中空管体填充热膨胀性物质并且进行加热时，该预设部位的中空管体会膨胀形成空腔部，接着将第一光纤和第二光纤熔接于该中空管体，并且使第一光纤的导光端面与第二光纤的导光端面隔着中空管体而相对设置，由此能够形成灵敏度得以改善的光纤法珀传感器。
在本发明的第三方面或第四所涉及的光纤法珀传感器的制造方法中，所述热膨胀性物质可以为空气、惰性气体或易气化物质。由此，能够通过加热方便地产生空腔部。
在本发明的第三方面或第四方面所涉及的光纤法珀传感器的制造方法中，所述减薄是通过腐蚀、激光、等离子或喷砂的加工方法来实现的。在这种情况下，能够容易地实现对中空管体的减薄。
在本发明的第三方面或第四方面所涉及的光纤法珀传感器的制造方法中，所述减薄的步骤包括：对所述中空管体的所述预设部位的外壁进行图案化，以在所述预设部位形成刻蚀窗口；并且对图案化后的中空管体进行刻蚀，以在所述预设部位形成凹槽结构，从而使所述预设部位的壁厚小于所述预设部位周围的壁厚。在这种情况下，通过刻蚀工艺来实现对中空管体的减薄，由此能够方便地制备空腔部。
在本发明的第三方面或第四方面所涉及的光纤法珀传感器的制造方法中，所述图案化的步骤包括：在所述中空管体的外壁涂覆保护层；将涂覆有保护层后的所述中空管体绕着所述中空管体的中心轴旋转并进行掩膜刻蚀；并且对所述保护层进行显影，去除所述预设部位的保护层。在这种情况下，能够利用刻蚀工艺来容易地实现预设部位的选择，从而提高光纤法珀传感器制备的适用性。
此外，在本发明的第三方面或第四方面所涉及的光纤法珀传感器的制造方法中，所述中空管体为石英玻璃管、耐高温玻璃管、空心光纤或光子晶体光纤。在这种情况下，能够提高中空管体的耐高温能力和改善中空管体的工艺适用性。
本发明的第五方面提供了一种光纤法珀传感器的制造方法，其包括：准备中空管体，将第一光纤插入并封闭所述中空管体的一端；将所述中空管体的另一端连接高压源；对所述中空管体进行放电，使所述预设部位热膨胀而形成空腔部，由此形成包括依次布置的第一管体、所述空腔部和第二管体的中空管体；将第二光纤插入并固定于所述第二管体，并且使所述第一光纤的第一导光端面与所述第二光纤的第二导光端面设置在所述空腔部内且相隔预设距离。
在本发明的第五方面中，通过利用在中空管体的预设部位进行放电，来形成具有第一管体、空腔部和第二管体的中空管体，并且使第一光纤的端面与第二光纤的端面在空腔部内相隔预设距离而设置，由此能够形成灵敏度得以改善的光纤法珀传感器。
本发明的第六方面提供了一种光纤法珀传感器的制造方法，其包括：包括：准备中空管体，将第一光纤的端面固定于所述中空管体的一端并封闭所述中空管体的一端；将所述中空管体的另一端连接高压源；对所述中空管体进行放电，使所述预设部位热膨胀而形成空腔部，由此形成包括依次布置的第一管体、所述空腔部和第二管体的中空管体；将第二光纤的端面固定于所述第二管体并封闭所述第二管体。
在本发明的第五方面中，通过利用在中空管体的预设部位进行放电，来形成具有第一管体、空腔部和第二管体的中空管体，并且使第一光纤的端面与第二光纤的端面相隔中空管体而设置，由此能够形成灵敏度得以改善的光纤法珀传感器。
另外，在本发明的第五方面或第六方面所涉及的光纤法珀传感器的制造方法中，在对所述中空管体进行放电中，在多个预设部位对所述中空管体进行放电，形成多个空腔部。由此能够进一步改善测量灵敏度。
根据本发明，能够提供一种提高灵敏度的光纤法珀传感器及其制造方法。
附图说明
图1是示出了本发明的第1实施方式所涉及的光纤法珀传感器的立体结构示意图。
图2是示出了本发明的第1实施方式所涉及的光纤法珀传感器的另一立体结构示意图。
图3是示出了本发明的第1实施方式所涉及的光纤法珀传感器的中空管体的立体结构示意图。
图4是示出了图3所示的中空管体沿着线L-L的截面的示意图。
图5是示出了本发明的第1实施方式所涉及的光纤法珀传感器的变形例的立体结构示意图。
图6是示出了本发明的第1实施方式所涉及的光纤法珀传感器的一种制造方法的流程图。
图7a至图7e是示出了图6所示的制造光纤法珀传感器的中空管体的示意图，其中，图7a是示出了中空管体的立体示意图；图7b是示出了涂覆了保护层的中空管体的立体示意图；图7c是示出了中空管体覆盖了塑料薄膜的立体示意图；图7d是示出了中空管体去除保护层后的立体示意图；图7e是示出了所制备的具有中空管体的立体示意图。
图8是示出了本发明的第1实施方式所涉及的光纤法珀传感器的另一种制造方法的流程图。
图9a至图9e是示出了图8所示的制造光纤法珀传感器的中空管体的示意图，其中，图9a是示出了中空管体的立体示意图；图9b是示出了将第一光纤固定并封闭中空管体的立体示意图；图9c是示出了沿着图9b所示线B-B截取的截面示意图；图9d是示出了对图9c所示的中空管体进行放电的立体示意图；图9e是示出了所制备的具有中空管体的立体示意图。
图10是示出了本发明的第2实施方式所涉及的光纤法珀传感器的立体示意图。
图11a至图11e是制造图10所涉及的光纤法珀传感器的示意图，其中，图11a是示出了中空管体的立体示意图；图11b是示出了将第一光纤固定并封闭中空管体的立体示意图；图11c是示出了沿着图11b所示线C-C截取的截面示意图；图11d是示出了对图11c所示的中空管体进行放电的立体示意图；图11e是示出了所制备的具有中空管体的立体示意图。
主要符号说明：
1,1A…光纤法珀传感器，10…中空管体，11…管体(第一管体)，12…空腔部，13…管体(第二管体)，20…光纤(第一光纤)，21…内端面(第一端面)，22…外端面，30…光纤(第二光纤)，31…内端面(第二端面)，32…外端面。
具体实施方式
以下，参考附图，详细地说明本发明的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。
[第1实施方式]
图1是示出了本实施方式所涉及的光纤法珀传感器的立体结构示意图。图2是示出了本实施方式所涉及的光纤法珀传感器的另一立体结构示意图。在图1和图2中，为了方便示意，仅表示出光纤的一部分，在实际应用中，光纤的长度可以根据实际情况确定，下同。
如图1和图2所示，本实施方式所涉及的光纤法珀传感器1可以包括中空管体10、以及设置在中空管体10两侧的第一光纤20和第二光纤30。也即，第一光纤20和第二光纤30分别从中空管体10的两侧插入到中空管体10并安装(固定)于中空管体10(参见稍后描述的图4)。在一些示例中，第一光纤20和第二光纤30可以分别从两侧封闭中空管体10，由此在中空管体10内形成密封空间。
在本实施方式中，如图1所示，中空管体10可以具有沿着其轴线方向依次布置的第一管体11、空腔部12和第二管体13。也即，空腔部12设置在第一管体11与第二管体13之间，并且第一管体11、空腔部12和第二管体13依次连接。
另外，这里所描述的中空管体10不限于完全是内径不变的管体的情形，例如也可以如下文所描述的那样中空管体的位于预设部位的部分通过膨胀而形成，该膨胀部分的形状可能更倾向于球体状或者不规则形状。
图3是示出了本实施方式所涉及的光纤法珀传感器的中空管体的立体结构示意图。图4是示出了图3所示的中空管体沿着线L-L的截面的示意图。在图4中，还示出了光纤(包括第一光纤20和第二光纤30)的立体示意图。
在本实施方式中，第一光纤20可以沿着轴线方向设置在第一管体11内，第二光纤30可以沿着轴线方向设置在第二管体13内。如图1所示，第一光纤20具有设置在空腔部12内的内端面(即第一导光端面)21和远离空腔部12的外端面22(参见图4)。第二光纤30具有设置在空腔部12内的内端面(第二导光端面)31和远离空腔部12的外端面32(参见图4)。
这里，第一光纤20的外端面22和第二光纤30的外端面32仅为了示意而表示，实际上，在本实施方式中，第一光纤20的包含外端面22的一端、以及第二光纤30包含外端面32的一端可以分别连接到外部设备例如光信号处理装置(例如光谱仪(未图示))，由此能够将第一光纤20和第二光纤30所捕获的光信号进行探测和呈现(例如通过显示屏显示)。另外，在一些示例中，光信号处理装置也可以与光纤法珀传感器1集成在一起，由此例如通过阅读光信号处理装置，能够实时地了解光纤法珀传感器1的数据。
在本实施方式中，第一导光端面21可以与第二导光端面31可以相隔预设距离D而相对设置(参见图4)。由于光信号经过第一光纤20的第一导光端面21和第二光纤30的第二导光端面31，并相应地形成透射光、反射光和干涉光，因此，相隔设置的第一光纤20的第一导光端面21与第二光纤30的第二导光端面31能够形成法珀腔。当外界环境应变发生时，位于空腔部12两侧的光纤(第一光纤20和第二光纤30)例如受到拉力或挤压力，致使空腔部12的形状发生变化，由第一光纤20和第二光纤30所形成的法珀腔的两个内端面(第一导光端面21与第二导光端面31)之间的距离D发生变化，从而改变干涉光谱，通过解调干涉光谱，由此能够测量外界环境的应变量。
此外，在一些示例中，第一光纤20可以作为输入光信号的光纤，第二光纤30作为接收光信号的光纤。但本实施方式不限于此，例如，第二光纤30可以作为输入光信号的光纤，第一光纤20作为接收光信号的光纤。
在本实施方式中，第一导光端面21与第二导光端面31相隔的预设距离D并没有特别限制。在一些示例中，预设距离D可以为5μm至100μm(微米)，优选为5μm至20μm。在这种情况下，能够更加准确地探测法珀腔所形成的干涉光谱的变化。在一些示例中，预设距离D可以为5μm、10μm、20μm、50μm、80μm或100μm。
另外，在一些示例中，空腔部12的壁厚可以小于靠近空腔部12的第一管体11和靠近空腔部12的第二管体13当中的任一个管体的壁厚(参见图4)。另外，，空腔部12的内径可以大于第一管体11和第二管体13当中的任一个管体的内径。在这种情况下，能够确保空腔部12的壁厚小于第一管体11或第二管体13的壁厚，由此在受到外力的作用时空腔部12能够灵敏地感应外部被测力学参数的变化，从而能够提高灵敏度(或测量灵敏度)。在本实施方式中，被测力学参数例如可以包括拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等。
另外，在本实施方式中，空腔部12的壁厚可以为1μm至10μm。优选地，空腔部的壁厚为2μm至8μm。在这种情况下，能够提高光纤法珀传感器1的灵敏度。在一些示例中，空腔部12的壁厚可以为1μm、2μm、4μm、5μm、6μm或8μm、10μm。
另外，在本实施方式中，空腔部12的壁厚不必是均匀的，例如空腔部12的中央的壁厚最薄，而越靠近第一管体11或第三管体13的壁厚逐渐变厚。另外，空腔部12的壁厚的不均匀性可能在热膨胀过程中引起，在热膨胀过程中，空腔部12的受热或受力不均都有可能引起壁厚的变化。
如上所述，在本实施方式中，在中空管体10中，第一光纤20的第一导光端面21与第二光纤30的第二导光端面31设置在中空管体10的空腔部12内，并且相隔预设距离D而相对设置。因此，在利用本实施方式所涉及的光纤法珀传感器1进行力学参数测量例如应力测量中，通过第一光纤20与第二光纤30所形成的法珀腔腔长(等于预设距离D)的变化来有效地获取力学参数的相应变化，因此，本实施方式所涉及的光纤法珀传感器1能够有效地提高灵敏度。
此外，如上所述，空腔部12的壁厚可以比靠近空腔部12的第一管体11的壁厚和靠近空腔部12的第二管体13的壁厚均要小，能够通过空腔部12的薄壁来传递外部的被测量力学参数的变化，因此，本实施方式所涉及的光纤法珀传感器1能够进一步提高灵敏度。
在本实施方式中，中空管体10优选为石英玻璃管。在这种情况下，由于中空管体10采用了石英结构，因此能够提高中空管体的耐高温能力和改善中空管体的工艺适用性。众所周知，石英玻璃管的主要成分是二氧化硅，二氧化硅在微电子工艺或者MEMS工艺是常用的材料，因此，采用石英玻璃管作为主要加工材料，不仅能够提高中空管体的耐高温能力，还能够提高中空管体的工艺适用性。此外，由石英玻璃管制成的光纤法珀传感器1还能够具有较低的温度系数。
另外，在一些示例中，中空管体10也可以是耐高温玻璃管、空心光纤、光子晶体光纤等。
另外，在本实施方式中，第一光纤20的第一导光端面(内端面)21和第二光纤30的第二导光端面(内端面)31可以为垂直切平的平面。也即，第一光纤20的第一导光端面21与第二光纤30的第二导光端面31相互平行。
另外，第一光纤20的第一导光端面21和第二光纤30的第二导光端面31可以通过光学镀膜来调整光谱特征，改善光纤导光端面的光学特性。在一些示例中，在第一导光端面21的表面和第二导光端面31的表面上，可以形成氟化钇、氟化镨、锗、硫化锌、氟化镁、二氧化钛、氧化锆等作为光学镀膜，具体可以根据实际应用来选择。
在中空管体10中，例如来自于激光设备的入射光传播至第一光纤20的第一导光端面(内端面)21时，部分光被反射回第一光纤20，部分光透过第一光纤20的导光端面21，到达第二光纤30的第二导光端面(内端面)31，此时一部分光被反射，一部分光耦合进入第二光纤30。此时，在第一光纤20的第一导光端面21与第二光纤30的第二导光端面31之间的法珀腔发生干涉。当外界环境应变发生时，位于第一管体11侧的第一光纤20与位于第二管体13侧的第二光纤30受到例如拉力或挤压力，致使空腔体12形状发生变化，第一光纤20的第一导光端面21与第二光纤30的第二导光端面31之间的距离发生变化，从而改变干涉光谱，通过解调干涉光谱，由此能够测量外界环境应变量。
在本实施方式中，第一光纤20的外径可以与中空管体10的第一管体11的内径适配，第二光纤30的外径可以与中空管体10的第一管体13的内径适配。在这种情况下，能够将第一光纤20和第二光纤30分别适配地安装于中空管体10的两侧内。也即，使第一光纤20适配地安装于第一管体11内，第二光纤30适配地安装于第二管体13内。
在一些示例中，在光纤法珀传感器1中，第一光纤20可以插入于第一管体11并封闭第一管体11，第二光纤30可以插入于第二管体13并封闭第二管体13。在这种情况下，在中空管体10中可以形成密封空间，由此能够提高例如绝对压力的测量灵敏度。
另外，在本实施方式中，第一管体11、空腔部12和第二管体13可以连续地形成。换言之，第一管体11、空腔部12和第二管体13可以形成连续的连接面，彼此之间无缝隙。在这种情况下，由于第一管体11、空腔部12与第二管体13连续地形成，因此，第一管体11、空腔部12与第二管体13能够形成更加密闭的空间，由此能够提高测量的灵敏度。
另外，第一管体11的中心对称轴可以与第二管体13的中心对称轴重合。在这种情况下，安装于第一管体11的第一光纤20与安装于第二管体13的第二光纤30能够容易地实现对准，更加方便被测力学参数的测量。
另外，在本实施方式中，第一光纤20可以熔接于第一管体11，第二光纤30可以熔接于第二管体13。在这种情况下，能够将第一管体11和第二管体13分别牢固地固定于中空管体10的两侧内。
在本实施方式中，第一光纤20熔接于第一管体11的方式以及第二光纤30熔接于第一管体13的方式均没有特别限制，在一些示例中，第一光纤20可以通过激光熔接方法熔接并固定于第一管体11内，第二光纤30也可以通过激光熔接方法熔接并固定于第二管体13内。对于第一管体11和第二管体13为石英玻璃管的情形，激光熔接方法尤其适用。
具体而言，作为将第一光纤20熔接于第一管体11内的方法，例如可以首先将第一光纤20插入到第一管体11，使用激光光源(例如脉冲激光光源)环绕第一光纤20的轴线方向照射到第一光纤20的规定位置，使其处于局部熔融状态，从而第一光纤20与第一管体11形成良好的熔接。同样地，可以将第二光纤30插入到第二管体13，使用激光光源(例如脉冲激光光源)环绕第二光纤30的轴线方向照射到第二光纤30的规定位置，使其处于局部熔融状态，从而第二光纤30与第一管体13形成良好的熔接。
另外，在本实施方式中，第一光纤20和第二光纤30可以为单模光纤或多模光纤。也即，第一光纤20和第二光纤30可以为单模光纤，另外，第一光纤20和第二光纤30也可以均为多模光纤。一般而言，单模光纤只传输一种模式，衰减小，传输距离长，单模光纤的传输速率比多模光纤要高，且芯径比多模光纤要小。相对而言，多模光纤可传输多种模式，但衰减大，传输距离短。在本实施方式中，可以根据情况选择使用单模光纤或多模光纤。
另外，在一些示例中，第一光纤20和第二光纤30还可以为保偏光纤或光子晶体光纤。此外，在一些示例中，第一光纤20和第二光纤30也可以是除单模光纤、多模光纤、保偏光纤和光子晶体光纤以外的其他类型的光纤。
另外，在本实施方式中，第一光纤20的第一导光端面21可以与中空管体10的轴线方向垂直，并且第二光纤30的第二导光端面31可以与中空管体10的轴线方向垂直。在这种情况下，能够确保第一光纤20的导光路径和第二光纤30的导光路径与中空管体10的轴线方向大致平行，由此，能够保证第一光纤20的第一导光端面21与第二光纤20的第二导光端面22所形成的法珀腔的测量灵敏度。
第一光纤20的第一导光端面21可以具有光滑的表面，第二光纤30的第二导光端面31可以具有光滑的表面。在这种情况下，光信号能够沿着第一光纤20从第一导光端面21透射，并且从第二光纤30的第二导光端面31入射和反射，在第一导光面21与第二导光面31之间形成法珀腔而产生干涉波，并且部分光信号沿着第二光纤30传播。
在一些示例中，如上所述，第一光纤20的第一导光端面21可以具有光学镀膜，第二光纤30的第二导光端面31可以具有光学镀膜。在这种情况下，能够改善第一导光端面21和第二导光端面31的光学性能，进一步提高测量灵敏度。
另外，在本实施方式中，中空管体10可以具有中心对称线，空腔部12可以绕着该中心对称线而形成为旋转对称结构。在这种情况下，由于空腔部12是绕着其中心对称线的旋转对称结构，因此，空腔部12能够均匀地感应外部应力的变化，由此能够进一步地提高光纤法珀传感器1的灵敏度。
在一些示例中，空腔部12可以为大致中空球状体或中空椭圆球状体。在这种情况下，空腔部12能够更加均匀地感应外部应力的变化，由此能够更进一步地提高光纤法珀传感器1的灵敏度。
图5是示出了本实施方式所涉及的光纤法珀传感器的变形例的立体结构示意图。
在本实施方式中，在中空管体中，在第一管体11与第二管体13之间布置有两个以上的空腔部。在一些示例中，如图5所示，在第一管体11与第二管体13之间布置有空腔部12a和空腔部12b。在这种情况下，能够进一步提高光纤法珀传感器的灵敏度。
在本实施方式中，空腔部12a和空腔部12b可以具有完全相同或对称的形状。在这种情况下，由空腔部12a和空腔部12b形成的密封空间同样能够改善测量的灵敏度。
在本实施方式中，空腔部12a和空腔部12b可以连续地形成。另外，在一些示例中，空腔部12a和空腔部12b可以有重叠的部分。
此外，在一些示例中，也可以在第一管体11与第二管体13之间设置有3个、5个或更多个空腔部。空腔部的具体个数选择可以根据实际应用的测量灵敏度和精度等来考虑。另外，多个空腔部相互之间也可以有重叠的部分。
另外，在本实施方式中，第一光纤20与中空管体10可以形成有第一熔接处41，第二光纤30与中空管体10可以形成有第二熔接处42，并且在第一熔接处41与第二熔接处42之间的中空管体10中。在这种情况下，能够进一步提高光纤法珀传感器1的测量灵敏度。
出于提高密封性和便于制造的角度的考虑，第一管体11、空腔部12与第二管体13优选一体成型。在这种情况下，能够提高中空管体10的密封性，有利于提高光纤法珀传感器1的灵敏度。另外，在一些示例中，第一管体11、空腔部12与第二管体13可以由一根管体制成。
以下，参考图6和图7a至图7e，详细地描述本实施方式所涉及的光纤法珀传感器1的一种制造方法。
图6是示出了本实施方式所涉及的制造光纤法珀传感器的流程图。图7a至图7e是示出了本实施方式所涉及的制造光纤法珀传感器的中空管体的示意图。
在本实施方式中，在制造光纤法珀传感器1的方法中，首先准备中空管体10，并且对位于中空管体10的预设部位的中空管体的壁厚进行减薄(步骤S10)。此外，在本实施方式中，所准备的中空管体可以为石英玻璃管。在这种情况下，能够保证中空管体的耐高温能力和改善中空管体的工艺适用性。
在一些示例中，上述预设部位可以是中空管体的大致中央的位置。另外，在步骤S10中减薄方法可以通过腐蚀、激光、等离子或喷砂等刻蚀等加工方法来实现。在这种情况下，能够容易地实现对中空管体的减薄。
在步骤S10中，减薄的步骤可以包括：对中空管体的预设部位的外壁进行图案化，以在预设部位形成刻蚀窗口；并且对图案化后的中空管体进行刻蚀，以在预设部位形成凹槽结构，从而使预设部位的壁厚小于预设部位周围的壁厚。在这种情况下，通过刻蚀工艺来实现对中空管体的减薄，由此能够方便地制备空腔部。
在步骤S10中，图案化的步骤可以包括：在中空管体的外壁涂覆保护层；将涂覆有保护层后的中空管体绕着中空管体的中心轴旋转并进行掩膜刻蚀；并且对保护层进行显影，去除预设部位的保护层。在这种情况下，能够利用光刻工艺来容易地实现预设部位的选择，从而提高光纤法珀传感器制备的适用性。
具体而言，参考图7a和图7b，在所准备的中空管体10例如中空石英玻璃管涂覆保护层51，接着，在保护层51上粘附掩膜层(参见图7c的掩膜层52a、掩膜层52b)。然后，进行显影曝光，并去除中空管体10的预设部位的保护层51。接着进行刻蚀(例如干法刻蚀、湿法刻蚀)，从而对暴露的预设部位的中空管体进行减薄，获得图7d所示的具有凹槽的中空管体10。
在上述示例中，掩膜层可以是塑料薄膜。由此，能够方便地实现刻蚀掩膜，极大地节约刻蚀工艺的成本。另外，在另一些示例中，保护层也可以是对紫外线敏感的光刻胶。
接着，在中空管体10填入热膨胀性物质，并密封中空管体的两端(步骤S20)。在步骤S20中，热膨胀性物质可以为空气、惰性气体或易气化物质等。这里，易气化物质例如可以是易气化液体。
接着，可以对中空管体10进行加热，使预设部位热膨胀而形成空腔部，由此形成包括依次布置的第一管体、空腔部和第二管体的中空管体(步骤S30)。由此，能够通过加热使预设部位热膨胀而产生所需的空腔部12(参见图7e)。
在本实施方式中，在完成中空管体10的制备之后，可以将第一光纤固定于第一管体，将第二光纤固定于第二管体，并且使第一光纤的第一导光端面与第二光纤的第二导光端面设置在空腔部内且相隔预设距离(步骤S40)。在步骤S40中，第一光纤可以通过熔接而固定于第一管体，第二光纤可以通过熔接而固定于第二管体。
在本实施方式所涉及的制造方法中，通过在中空管体的预设部位进行减薄，使其壁厚减小，因此，当在中空管体填充热膨胀性物质并且进行加热时，该预设部位的中空管体会膨胀而形成空腔部，接着将第一光纤和第二光纤熔接于该中空管体，并且使第一光纤的导光端面与第二光纤的导光端面相隔设置，由此能够形成灵敏度得以改善的光纤法珀传感器。另外，在上述制造方法中，可以通过调整两个光纤(第一光纤和第二光纤)的内端面之间的距离来改变自由光谱区的宽度。
以下，参考图8和图9a至图9e，详细地描述本实施方式所涉及的光纤法珀传感器1的另一种制造方法。
在本实施方式中，在制造光纤法珀传感器1的方法中，如图9a和图9b所示，首先准备中空管体，将第一光纤插入并封闭中空管体的一端(步骤S100)。在步骤S100中，中空管(例如石英玻璃管)的两端面可以为切平的端面。另外，第一光纤的外径与中空石英玻璃管的内径相匹配。
另外，在步骤S100中，可以通过熔接的方法将第一光纤固定于中空管体内。第一光纤与中空管体可以通过光纤熔接机来实现。此外，在本实施方式中，所准备的中空管体可以为石英玻璃管。在这种情况下，能够保证中空管体的耐高温能力和改善中空管体的工艺适用性。另外，中空管体还可以为耐高温玻璃管、空心光纤或光子晶体光纤。
接着，如图9c所示，将中空管体的另一端连接高压源(步骤S200)。在这种情况下，中空管体内形成密闭空间。在步骤S200中，可以通过调节高压源来调整中空管体内的内部的气压。
接着，对中空管体进行放电(见图9d)，使预设部位热膨胀而形成空腔部，由此形成包括依次布置的第一管体、空腔部和第二管体的中空管体(步骤S300)。由此，能够通过加热使预设部位热膨胀而产生所需的空腔部12(参见图9e)。在步骤S300中，可以通过调整光纤熔接机放电时间和放电强度参数，来保持中空管体内高压状态，并且在中空管体合适位置放电。在这种情况下，由于中空管体的内部气压高于外部气压，中空管体的放电位置(预设部位)S(参见图9d)会逐渐膨胀形成空腔部例如空心微泡。
在本实施方式中，在完成中空管体10的制备之后，可以将第二光纤插入并固定于第二管体，并且使第一光纤的第一导光端面与第二光纤的第二导光端面设置在空腔部内且相隔预设距离(步骤S400)。
另外，在上述制造方法中，可以选择多个放电位置，重复步骤S300，由此可以获得多个空腔部，也即，在第一管体与第二管体之间形成有多个空腔部。
在本实施方式所涉及的制造方法中，通过在中空管体的预设部位进行放电，使该预设部位的中空管体膨胀形成空腔部，接着将第一光纤和第二光纤熔接于该中空管体，并且使第一光纤的导光端面与第二光纤的导光端面相隔设置，由此能够形成灵敏度得以改善的光纤法珀传感器。另外，在上述制造方法中，可以通过调整两个光纤(第一光纤和第二光纤)的内端面之间的距离来改变自由光谱区的宽度。
以下，结合光纤法珀传感器1的制造方法的实施例，更进一步地详细地描述本实施方式。
[实施例1]
在本实施例中，利用光纤切割刀将内径约100um至300um、外径大于内径且约200um至400um的中空石英玻璃管的两个端面切平。接着，使用光纤熔接机(型号：FITELS183Version2)将中空石英玻璃管的一端熔塌陷至封闭，另一端接入打压器(型号：康斯特162型)。
接着，调整打压器，使中空石英玻璃管的内部压力达到110kPa至120kPa(绝对压强)之间。调整光纤熔接机的放电时间为400ms至1000ms，放电强度为50单位至200单位，保持中空石英玻璃管的内部压强，在其合适位置放电3-6次。在这个过程中，由于中空石英玻璃管的内外压力差的作用，中空石英玻璃管的放电处会膨胀形成大致中空球状体(例如微泡)。
然后，将带有空腔部的中空石英玻璃管从光纤熔接机取下，撤去高压源，两端利用光纤切割刀重新切平。在光纤熔接机的手动模式下，将两根两端切平的光纤(型号：长飞G652D)依次相对地插入带有中空球状体的中空石英玻璃管中，重新调整放电时间为400ms至1000ms，放电强度为50单位至200单位，依次将两根光纤分别与中空石英玻璃管熔接在一起，熔接过程中调整两根光纤的内端面之间的距离，使该距离为5um至100um左右，此时自由光谱区的宽度约为2.4nm至48nm。此时中空球状体的直径约为200um至500um，最薄壁厚为2um至6um左右，传感器的灵敏度为200pm/με至800pm/με左右。
[实施例2]
在本实施例中，利用光纤切割刀将内径约100um至300um、外径大于内径且约200um至400um的中空石英玻璃管2的两个端面切平。接着，使用光纤熔接机(型号：FITELS183Version2)将中空石英玻璃管的一端熔塌陷至封闭，另一端接入打压器(型号：康斯特162型)。
接着，调整打压器，使中空石英玻璃管的内部压力达到110kPa至120kPa(绝对压强)之间。调整光纤熔接机的放电时间为400ms至1000ms，放电强度为50单位至200单位，保持中空石英玻璃管的内部压强，在其合适位置放电3-6次。在这个过程中，由于中空石英玻璃管的内外压力差的作用，中空石英玻璃管的放电处会膨胀形成大致中空球状体(例如微泡)。
然后，移动光纤熔接机电极至距离中空球状体中心位置300um至800um处，重复上述步骤以获得另一个中空球状体。接着，将带有两个中空球状体的中空石英玻璃管从光纤熔接机取下，撤去高压源，两端利用光纤切割刀重新切平。在光纤熔接机的手动模式下，将两根两端切平的光纤(型号：长飞G652D)依次相对地插入带有空腔部的中空石英玻璃管中，重新调整放电时间为400ms至1000ms，放电强度为50单位至200单位，依次将两根光纤分别与中空石英玻璃管熔接在一起，熔接过程中调整两根光纤的内端面之间的距离为50单位至200单位，此时自由光谱区的宽度约为1.2nm至30nm。此时两个中空球状体的直径分别约为200um至400um，最薄壁厚为2um至6um左右，传感器的灵敏度为200pm/με至800pm/με左右。
[第2实施方式]
图10是示出了本发明的第2实施方式所涉及的光纤法珀传感器的立体示意图。图11a至图11e是制造图10所涉及的光纤法珀传感器的示意图，其中，图11a是示出了中空管体的立体示意图；图11b是示出了将第一光纤固定并封闭中空管体的立体示意图；图11c是示出了沿着图11b所示线C-C截取的截面示意图；图11d是示出了对图11c所示的中空管体进行放电的立体示意图；图11e是示出了所制备的具有中空管体的立体示意图。
本实施方式所涉及的光纤法珀传感器1A与第1实施方式所涉及的光纤法珀传感器1的不同点在于，第一光纤20的第一导光端面21与第二光纤30的第二导光端面31分别设置在中空管体10的两端(参见图10)。
在本实施方式中，在利用本实施方式所述的光纤法珀传感器1A进行测量时，能够通过空腔部的薄壁来传递外部的力学参数(应力、拉力、压力等)变化，并且通过第一光纤20的端面21与第二光纤30的端面31所形成的法珀腔长度的变化来有效地反映相应的力学参数的变化，因此，本实施方式所涉及的光纤法珀传感器1A也能够有效地提高目标力学参数的测量灵敏度。
本实施方式所涉及的光纤法珀传感器1A的制造方法与第1实施方式所涉及的光纤法珀传感器1的制造方法基本相同，可以直接采用第1实施方式所涉及的光纤法珀传感器1的制造方法，不同的地方在于在制造过程中，需要将第一光纤20的端面21与中空管体10的一个端部相接，且第二光纤30的端面31与中空管体的另一个端部相接。具体而言，在图11b中，第一光纤20的端面与中空管体10的一个端部相接，并且经过图11c和图11c的放电加热步骤后，第二光纤30的端面与中空管体的另一个端部相接。由此，获得图10或图11e所示的光纤法珀传感器1A。
在本实施方式中，第一光纤20的外径可以大于中空管体10(例如石英玻璃管)的第一管体11的内径，第二光纤30的外径可以大于中空管体10的第二管体13的内径。
另外，在一些示例中，第一光纤20的外径可以小于中空管体10(例如石英玻璃管)的第一管体11的外径，第二光纤30的外径可以小于中空管体10的第二管体13的外径(未图示)。在这种情况下，第一光纤20与第一管体11、以及第二光纤30与第二管体13也可以形成良好的连接。
此外，在另一些示例中，第一光纤20的外径可以等于或大于中空管体10(例如石英玻璃管)的第一管体11的外径，第二光纤30的外径可以等于或大于中空管体10的第二管体13的外径(未图示)。在这种情况下，第一光纤20与第一管体11、以及第二光纤30与第二管体13同样可以形成良好的连接。
虽然以上结合附图和实施例对本发明进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本发明。本领域技术人员在不偏离本发明的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本发明进行变形和变化，这些变形和变化均落入本发明的范围内。
Claims (20)
1.一种光纤法珀传感器，其特征在于，
包括：
中空管体，其具有沿着轴线方向依次布置的第一管体、空腔部和第二管体；
第一光纤，其沿着所述轴线方向设置在所述第一管体内，所述第一光纤具有设置在所述空腔部内的第一导光端面；以及
第二光纤，其沿着所述轴线方向设置在所述第二管体内，所述第二光纤具有设置在所述空腔部内的第二导光端面，
所述第一导光端面与所述第二导光端面相隔预设距离而相对设置，所述空腔部的内径大于所述第一管体和所述第二管体当中的任一个管体的内径。
2.一种光纤法珀传感器，其特征在于，
包括：
中空管体，其具有沿着轴线方向依次布置的第一管体、空腔部和第二管体；
第一光纤，其具有与所述第一管体的端部相接的第一导光端面；以及
第二光纤，其具有与所述第二管体的端部相接的第二导光端面，
所述第一导光端面与所述第二导光端面隔着所述中空管体而相对设置，并且所述空腔部的内径大于所述第一管体和所述第二管体当中的任一个管体的内径。
3.如权利要求1或2所述的光纤法珀传感器，其特征在于，
所述第一光纤熔接于所述第一管体，所述第二光纤熔接于第二管体。
4.如权利要求1或2所述的光纤法珀传感器，其特征在于：
所述第一光纤和所述第二光纤为单模光纤、多模光纤、保偏光纤或光子晶体光纤。
5.如权利要求1或2所述的光纤法珀传感器，其特征在于：
所述第一管体、所述空腔部和所述第二管体连续地形成，并且所述第一管体的中心对称轴与所述第二管体的中心对称轴重合。
6.如权利要求1或2所述的光纤法珀传感器，其特征在于：
所述第一光纤的所述第一导光端面与所述轴线方向垂直，并且所述第二光纤的所述第二导光端面与所述轴线方向垂直。
7.如权利要求1或2所述的光纤法珀传感器，其特征在于：
所述中空管体具有中心对称线，所述空腔部绕着所述中心对称线而形成为旋转对称结构。
8.如权利要求1或2所述的光纤法珀传感器，其特征在于：
在所述中空管体中，在所述第一管体与所述第二管体之间布置有两个以上的所述空腔部。
9.如权利要求3所述的光纤法珀传感器，其特征在于：
所述第一光纤与所述中空管体形成有第一熔接处，所述第二光纤与所述中空管体形成有第二熔接处。
10.如权利要求1或2所述的光纤法珀传感器，其特征在于：
所述第一管体、所述空腔部与所述第二管体一体成型。
11.如权利要求1或2所述的光纤法珀传感器，其特征在于：
所述中空管体为石英玻璃管、耐高温玻璃管、空心光纤或光子晶体光纤。
12.一种光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于：
包括：
准备中空管体，并且对位于所述中空管体预设部位的壁厚进行减薄；
在所述中空管体填入热膨胀性物质，密封所述中空管体的两端；
对所述中空管体进行加热，使所述预设部位热膨胀而形成空腔部，由此形成包括依次布置的第一管体、所述空腔部和第二管体的中空管体；
将第一光纤固定于所述第一管体，将第二光纤固定于所述第二管体，并且使所述第一光纤的第一导光端面与所述第二光纤的第二导光端面设置在所述空腔部内且相隔预设距离。
13.一种光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于：
包括：
准备中空管体，并且对位于所述中空管体预设部位的壁厚进行减薄；
在所述中空管体填入热膨胀性物质，密封所述中空管体的两端；
对所述中空管体进行加热，使所述预设部位热膨胀而形成空腔部，由此形成包括依次布置的第一管体、所述空腔部和第二管体的中空管体；
将第一光纤的端面固定于所述第一管体的端部，将第二光纤的端面固定于所述第二管体的端部，并且使所述第一光纤的端面与所述第二光纤的端面相对。
14.如权利要求12或13所述的光纤传感器的制造方法，其特征在于：
所述热膨胀性物质为空气、惰性气体或易气化物质。
15.如权利要求12或13所述的光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于：
所述减薄是通过腐蚀、激光、等离子或喷砂的加工方法来实现的。
16.如权利要求12或13所述的光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于：
所述减薄的步骤包括：
对所述中空管体的所述预设部位的外壁进行图案化，以在所述预设部位形成刻蚀窗口；并且
对图案化后的所述中空管体进行刻蚀，以在所述预设部位形成凹槽结构，从而使所述预设部位的壁厚小于所述预设部位周围的壁厚。
17.如权利要求16所述的光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于：
所述图案化的步骤包括：
在所述中空管体的外壁涂覆保护层；
将涂覆有保护层后的所述中空管体绕着所述中空管体的中心轴旋转并进行掩膜刻蚀；并且
对所述保护层进行显影，去除所述预设部位的保护层。
18.一种光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于，
包括：
准备中空管体，将第一光纤插入并封闭所述中空管体的一端；
将所述中空管体的另一端连接高压源；
对所述中空管体进行放电，使所述预设部位热膨胀而形成空腔部，由此形成包括依次布置的第一管体、所述空腔部和第二管体的中空管体；
将第二光纤插入并固定于所述第二管体，并且使所述第一光纤的端面与所述第二光纤的端面设置在所述空腔部内且相隔预设距离。
19.一种光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于，
包括：
准备中空管体，将第一光纤的端面固定于所述中空管体的一端并封闭所述中空管体的一端；
将所述中空管体的另一端连接高压源；
对所述中空管体进行放电，使所述预设部位热膨胀而形成空腔部，由此形成包括依次布置的第一管体、所述空腔部和第二管体的中空管体；
将第二光纤的端面固定于所述第二管体并封闭所述第二管体。
20.如权利要求18或19所述的光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于：
在对所述中空管体进行放电中，在多个预设部位对所述中空管体进行放电，形成多个空腔部。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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