CN108051020A - 基于一对短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一对短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两段对称的短波导。其中，第一段短波导是与纤芯夹角为50的斜线，第二段短波导是与纤芯的夹角为‑50的斜线。两段短波导结构刻写完成后，纤芯的光会被第一段斜线短波导导引出来并传输至单模光纤包层和空气的交界面，在交界面处发生全反射，经过单模光纤包层和空气交界面的多次反射，最后通过第二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。本发明具有装置坚固、成本低、体积小和灵敏度高的特点，可应用于折射率，温度和应变的测量。
Description
技术领域
本发明提供了一种基于一对短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
和传统传感器对比，光纤传感器有极高的灵敏度和分辨率，此外，其频带范围很宽，动态范围很大，不易受电磁场干扰。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。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、桥梁等安全使用及完整性检测具有重要意义。目前，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。对于基于内部具有空腔的微锥形光纤，其坚固性很差，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。为了克服这些缺点，我们需要采用新的技术来制作光纤传感器件。
进入新世纪，飞秒激光在透明基板中制作波导取得了显著进展。由于飞秒激光辐射可以永久地改变诸如块状玻璃之类材料的折射率，因此，利用飞秒激光的这种特性已经制备了很多光学器件。近年来，飞秒激光被用来在光纤内制作耦合波导，通过这项技术，我们可以用来制作更加新颖光纤传感器件。但是，目前利用这种技术在光纤内所制作的器件对折射率的响应还不够灵敏，在环境湿度方面及生物传感应用领域具有一定的局限性。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供了一种基于一对短波导的光纤线内马赫—曾德干涉仪，其结构坚固、制造简单、折射率灵敏度高。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：基于一对短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，由飞秒激光在单模光纤内刻写的两段对称的短波导构成。其中，第一段短波导是与纤芯夹角为50的斜线，第二段短波导是与纤芯的夹角为-50 的斜线，两段短波导构成一个“八”字结构。两段短波导结构刻写完成后，纤芯的光会被第一段斜线短波导导引出来并传输至单模光纤包层和空气的交界面，在交界面处发生全反射，经过单模光纤包层和空气交界面的多次反射，最后通过第二段斜线波导耦合回纤芯。在制作的过程中，两段波导的长度和单模光纤纤芯的夹角均可调整，以得到不同光程差的马赫—曾德干涉仪。
所述（单模）光纤其纤芯直径和光纤直径分别为9μm和125μm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
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、传感头对于折射率，温度，应力都具有敏感性，可以用于对环境参数的同时测量。其中对折射率变化反应最敏感，具有较高的灵敏度。
3、传感头非常坚固，在应力测试方面得到很好的验证。
4、传感头的制作易于控制，可以通过改变两段短波导的间距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，4a. 单模光纤包层，4b.单模光纤纤芯，5.第一段斜线波导，5a.第一段斜线波导和单模光纤纤芯的夹角，6.第二段斜线波导，6a. 第二段斜线波导和单模光纤纤芯的夹角，7.光在单模光纤中传播的示意路径。
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5、第二段斜线波导6构成。其中，单模光纤4包括单模光纤包层4a，单模光纤纤芯4b，第一段斜线波导和单模光纤纤芯的夹角为5a，第二段斜线波导和单模光纤纤芯的夹角为6a。
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5，其长度为300μm,第一段斜线波导和单模光纤纤芯的夹角5a为50；第二步：光纤沿其轴向方向平移7mm; 第三步：刻写第二段斜线波导6，使其长度为300μm,第二段斜线波导和单模光纤纤芯的夹角6a为-50。在制作的过程中，我们可以通过调节两段短波导的间距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内刻写的两段短波导构成，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4b传输，一部分光沿着第一段斜线波导5传输至单模光纤包层和空气的交界面，并在此处发生全反射，经过如图2所示的光在单模光纤中传播的示意路径7，然后被第二段斜线波导6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.基于一对短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，由飞秒激光在单模光纤内刻写的两段对称的短波导构成，其中，第一段短波导是与纤芯夹角为50的斜线，第二段短波导是与纤芯的夹角为-50 的斜线，两段短波导构成一个“八”字结构，两段短波导结构刻写完成后，纤芯的光会被第一段斜线短波导导引出来并传输至单模光纤包层和空气的交界面，在交界面处发生全反射，经过单模光纤包层和空气交界面的多次反射，最后通过第二段斜线波导耦合回纤芯，在制作的过程中，两段波导的长度和单模光纤纤芯的夹角均可调整，以得到不同光程差的马赫—曾德干涉仪。
2.根据权利要求1所述一种基于一对短波导的光纤线内马赫-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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