CN108020248A - 基于化学腐蚀法制备大模场光纤f-p传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于化学腐蚀法制备大模场光纤F‑P传感器的方法，与现有技术相比，本发明采用的大模场‑大模场结构与相同工艺的其他结构相比，有较高的灵敏度。采用化学腐蚀法制备光纤上的F‑P微结构，从而制得光纤F‑P应变传感器，制作方法简单，易于制作。本发明制得的大模场光纤F‑P传感器器件结构简单，稳定性可靠。成本较低、重复性高，易于实现器件的批量加工。
Description
技术领域
本发明涉及光纤器件领域，特别涉及一种基于化学腐蚀法制备大模场光纤F-P传感器的方法。
背景技术
随着现代测量技术的发展，光纤F-P传感器越来越受到人们的重视，被广泛用于测量应变、压力、温度、加速度、折射率等。与传统的传感器相比，光纤法布里-珀罗传感器具有诸多优良特性，如不受电磁干扰、适用范围广、稳定性好、可靠性好、分辨率高、精度高、体积小、重量轻等显著优点。但是，传统的制作方法工序复杂、重复性差，对于法珀腔还需要进行腔长的标定，这使得光法布里-珀罗的批量生产较为困难，从而在一定程度上限制了光纤法布里-珀罗传感器的进一步广泛应用。
光纤Fabry-Perot(F-P)传感器主要包括非本征型和本征型两大类。非本征型结构的光纤F-P传感器的是利用光纤和一个具有反射面结构的非光纤原件组成；本征型光纤F-P结构的加工方法一般为将光纤两端面镀膜，通过封装或对接制成，但由于光纤的直径在微米量级，镀膜材料难以选择，镀膜难度大，且在封装或对接时需要精确地控制镀膜光纤和精确连接光纤以减小耦合损失，操作难度大。
目前，常见的F-P腔制备方法为：化学腐蚀法、电弧放电法、飞秒激光制备法等。针对利用飞秒刻写形成的光纤F-P传感器，当飞秒激光聚焦到光纤纤芯上时，会使材料性质发生改变，使其折射率发生改变，而光纤的表面不会受到任何影响。而通过化学腐蚀法制备光纤传感器时，可以通过控制腐蚀时间、调配HF酸溶液浓度、设置腐蚀时间等手段设定传感器腔长，成本较低、制作简单，在一定成都上可实现大批量的生产。
因此，需要一种制备具有高灵敏度的基于化学腐蚀法制备大模场光纤F-P传感器的方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于化学腐蚀法制备大模场光纤F-P传感器的方法，包括以下步骤：
步骤一：将大模场光纤的一端去除涂覆层，经酒精擦拭后用切割刀将该端面切平，并粘贴在支架上。
步骤二：将上述切平的端面插入浓度为40％的氢氟酸溶液中腐蚀20min，所述被腐蚀的光纤端面形成凹槽。
步骤三：将腐蚀过的大模场光纤端面放入蒸馏水中浸泡稀释，再将该大模场光纤放入超声清洗机中清洗，去除残留氢氟酸；
步骤四：采用熔接机将上述腐蚀好的大模场光纤端面与另一根端面切平的大模场光纤相对熔接，形成F-P腔结构，从而得到大模场光纤F-P传感器。
优选地，在步骤一中，所述大模场光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为12μm。
更优选地，所述大模场光纤的型号为LSM-12大模场光纤。
优选地，在步骤二中，与所述光纤的包层相比，所述光纤的纤芯掺锗元素较高，与氢氟酸溶液反应速度快，经过一段时间后被腐蚀光纤端面会形成凹槽。
在步骤四中，所述光纤F-P腔结构为将腐蚀好的大模场光纤端面与另一根端面切平的大模场光纤相对熔接后形成的腔长为L的微腔，所述光纤F-P腔包括两个反射端面，所述反射端面分别为被腐蚀好的大模场光纤端面形成的凹槽以及所述端面被切平的大模场光纤熔接时熔化形成的另一个凹槽，所述两个反射端面可形成圆。
当相干光束沿大模场光纤入射到所述F-P腔时，光在所述F-P腔的两个反射端面反射后沿原路返回，并相遇而产生干涉，光在所述腔内来回反射、形成多光束干涉。
优选地，所述大模场光纤通过电弧放电进行熔接，其中，熔接机熔接时设置的放电参数为：清洁放电时间150ms，预熔功率为标准+10bit，预熔时间为270ms，放电功率为标准+10bit，放电时间为1500ms。
优选地，熔接成功后，可通过对大模场光纤熔接处连续放电做优化处理。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.采用的大模场-大模场结构与相同工艺的其他结构相比，有较高的灵敏度。
2.采用化学腐蚀法制备光纤上的F-P微结构，从而制得光纤F-P应变传感器，制作方法简单，易于制作。
3.本发明制得的大模场光纤F-P传感器器件结构简单，稳定性可靠。
4.成本较低、重复性高，易于实现器件的批量加工。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了通过本发明方法制得的大模场光纤F-P传感器的结构示意图。
图2示出了测试本发明制得的大模场光纤F-P传感器的传感器应变系统的结构示意图。
图3示出了图2中所述测试系统中所述大模场光纤F-P传感器在不同应变下的反射光谱图。
图4示出了对本发明制得的大模场光纤F-P传感器进行标定后得到的波长与应变关系曲线图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本发明提供一种基于化学腐蚀法制备大模场光纤F-P传感器的方法，包括以下步骤：
步骤一：将大模场光纤的一端去除涂覆层，经酒精擦拭后用切割刀将该端面切平，并粘贴在支架上。
具体地，所述大模场光纤的型号为LSM-12大模场光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为12μm。
步骤二：将该端面插入浓度为40％的氢氟酸溶液中腐蚀20min，所述被腐蚀的光纤端面形成凹槽。
其中，与光纤的包层相比，光纤的纤芯掺锗元素较高，与氢氟酸溶液反应速度快，经过一段时间后被腐蚀光纤端面会形成凹槽。
步骤三：将腐蚀过的大模场光纤端面放入蒸馏水中浸泡稀释，再将该大模场光纤放入超声清洗机中清洗，去除残留氢氟酸，以防止所述光纤端面被继续腐蚀。
步骤四：采用熔接机将上述腐蚀好的大模场光纤端面与另一根端面切平的大模场光纤相对熔接，形成F-P腔结构，从而得到大模场光纤F-P传感器。
具体地，所述大模场光纤通过电弧放电对大模场光纤端面进行熔接，其中，熔接机熔接时设置的放电参数为：清洁放电时间150ms，预熔功率为标准+10bit，预熔时间为270ms，放电1功率为标准+10bit，放电时间为1500ms。熔接成功后，还可通过对大模场光纤熔接处连续放电做优化处理。
参见图1，为本发明方法制得的大模场光纤F-P传感器的结构示意图，将端面经过腐蚀处理的大模场光纤和端面切平的大模场光纤相对熔接，形成F-P腔结构。
当一束相干光入射到F-P腔中，一部分光在腔内来回反射、形成多光束干涉。所述光纤F-P腔为将腐蚀好的大模场光纤端面与另一根端面切平的大模场光纤相对熔接后形成的腔长为L的微腔，具体地，所述光纤F-P腔包括两个反射端面，所述反射端面分别为被腐蚀好的大模场光纤端面形成的凹槽以及所述端面被切平的大模场光纤熔接时熔化形成的另一个凹槽。进一步地，所述两个反射端面可形成圆，如图1所示。当相干光束沿大模场光纤入射到上述微腔时，光在微腔的两个反射端面反射后沿原路返回，并相遇而产生干涉。
具体地，根据多光束干涉原理，光学F-P腔的反射输出IR为
式中，为光学位相，其中
其中，n0是腔内材料的折射率，R是两端面的反射率，为入射光与反射端面的夹角，λ和I0分别为入射光波长与光强，L是微腔的腔长，附加的相位π是光由光疏介质入射到光密介质时产生的半波损耗引起的相位差。
当F-P腔两端面的反射率R很低时，可用双光束干涉代替多光束干涉，则
由式(1)、(2)和(3)和可知，当外界参量作用于微腔时，可以通过反射光强变化推出相应外界参量的变化，实现传感测量的目的。
参见图2，本实验装置为光纤传感器应变系统，包括：宽带光源1、光纤环行器2、等强度梁3、光纤F-P应变传感器4以及光纤传感分析仪5，所述光纤F-P应变传感器4粘贴在所述等强度梁3上，并通过光纤环行器2与光纤传感分析仪5相连。
所述光纤传感分析仪5采用Yokogawa公司生产的光纤传感分析仪，用于对采集反射光谱，具体地，通过所述光线环行器2将光纤F-P应变传感器4中的光纤F-P腔的反射干涉光谱传输至光纤传感分析仪5。
所述光纤F-P应变传感器4粘贴在等强度梁3上，利用等强度梁3可改变应变大小。具体地，所述等强度梁3包括基底和螺旋测微头，所述螺旋测微头转动时，所述基底会发生形变，引起贴于基底的F-P腔发生应力变化。
参见图3，为所述大模场光纤F-P传感器在不同应变下的反射光谱图。由图可知：当外界温度或压力发生变化，反射光谱谱线会发生平移，3条谱线分别为应变为50με、100με、150με时的大模场光纤F-P传感器1520nm～1610nm范围内的干涉谱。因此，本发明制备得到的大模场光纤F-P传感器具有良好的应变性能，结构可行。
进一步地，将所述大模场光纤F-P传感器进行标定，在50με～400με范围内，每间隔50με施加应变，记录相应应变时的波长，绘制出波长—应变关系曲线，由图可知：本发明制得所述大模场光纤F-P传感器具有良好的线性度。
本发明使用腐蚀大模场光纤与大模场光纤熔接的方法制备光纤上的F-P微结构来实现物理量的测量，制作方法简单，易于制作，制得的大模场光纤F-P传感器器件结构简单，稳定性可靠，易于实现器件的批量加工；与现有技术相比，采用的大模场-大模场结构与相同工艺的其他结构相比有较高的灵敏度。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (7)
1.一种基于化学腐蚀法制备大模场光纤F-P传感器的方法，包括以下步骤：
S1：将大模场光纤的一端去除涂覆层，经酒精擦拭后用切割刀将该端面切平，并粘贴在支架上；
S2：将上述切平的端面插入浓度为40％的氢氟酸溶液中腐蚀20min，所述被腐蚀的光纤端面形成凹槽；
S3：将腐蚀过的大模场光纤端面放入蒸馏水中浸泡稀释，再将该大模场光纤放入超声清洗机中清洗，去除残留氢氟酸；
S4：采用熔接机将上述腐蚀好的大模场光纤端面与另一根端面切平的大模场光纤相对熔接，形成F-P腔结构，从而得到大模场光纤F-P传感器。
2.根据权利要求1所述的制备大模场光纤F-P传感器的方法，其特征在于，在S1中，所述大模场光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为12μm。
3.根据权利要求1或2所述的制备大模场光纤F-P传感器的方法，其特征在于，所述大模场光纤的型号为LSM-12大模场光纤。
4.根据权利要求1所述的制备大模场光纤F-P传感器的方法，其特征在于，在S4中，所述光纤F-P腔为将腐蚀好的大模场光纤端面与另一根端面切平的大模场光纤相对熔接后形成的腔长为L的微腔，所述光纤F-P腔包括两个反射端面，所述反射端面分别为被腐蚀好的大模场光纤端面形成的凹槽以及所述端面被切平的大模场光纤熔接时熔化形成的另一个凹槽，所述两个反射端面可形成圆。
5.根据权利要求4所述的制备大模场光纤F-P传感器的方法，其特征在于，当相干光束沿大模场光纤入射到所述F-P腔时，光在所述F-P腔的两个反射端面反射后沿原路返回，并相遇而产生干涉。
6.根据权利要求1或4所述的制备大模场光纤F-P传感器的方法，其特征在于，在S4中，所述大模场光纤通过电弧放电进行熔接，熔接机熔接时设置的放电参数为：清洁放电时间150ms，预熔功率为标准+10bit，预熔时间为270ms，放电功率为标准+10bit，放电时间为1500ms。
7.根据权利要求6所述的制备大模场光纤F-P传感器的方法，其特征在于，在S4中，熔接成功后，可通过对大模场光纤熔接处连续放电做优化处理。
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