CN108120460A - 光纤法布里珀罗传感器及其制作方法、测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种光纤法布里珀罗传感器及其制作方法、测试装置，该传感器包括：相对的第一光纤和第二光纤，第一光纤朝向第二光纤一侧的第一端面为凹形曲面，且第一端面和第二光纤朝向第一光纤一侧的第二端面对接形成一微腔，微腔为稳定腔；其中，第一端面的凹形曲面通过二氧化碳激光处理得到，且以第一光纤的中轴线与第一端面的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面，以使得该光纤法布里珀罗传感器具有良好的模式匹配，超高的精细度，较大的自由光谱范围，较窄的微腔线宽，良好的稳定性以及较小的体积和较高的集成度，且在应用时可以利用光子的自由度，有利于所述光纤法布里珀罗传感器的进一步发展。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种光纤法布里珀罗传感器及其制作方法，以及一种包括该光纤法布里珀罗传感器的测试装置。
背景技术
外腔式光纤法布里珀罗传感器由两个光纤端面对准后形成，其中，两个光纤端面之间具有一定的空气腔。这种传感器结构简单，抗干扰能力强，具有微型化，电绝缘性能好，耐腐蚀，可测量物理参量多等优点，拥有广泛的研究和应用。但是，现有外腔式光纤法布里珀罗传感器的精细度较低，而且，现有外腔式光纤法布里珀罗传感器中两个光纤端面形成的微腔的基模是简并的，不能利用光子的偏振自由度，限制了光纤法布里珀罗传感器的进一步发展。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光纤法布里珀罗传感器，以提高所述光纤法布里珀罗传感器的精细度，且该光纤法布里珀罗传感器中两个光纤端面形成的微腔的基模是非简并的，有利于所述光纤法布里珀罗传感器的进一步发展。
为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种光纤法布里珀罗传感器，包括：
相对的第一光纤和第二光纤，所述第一光纤朝向所述第二光纤一侧的第一端面为凹形曲面，且所述第一端面和所述第二光纤朝向所述第一光纤一侧的第二端面对接形成一微腔，所述微腔为稳定腔；
其中，所述第一端面的凹形曲面通过二氧化碳激光处理得到，且以所述第一光纤的中轴线与所述第一端面的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面。
优选的，所述第一端面的凹形曲面为抛物面或高斯面。
优选的，所述第二光纤朝向所述第一光纤一侧的第二端面为凹形曲面，且所述第二端面通过二氧化碳激光处理得到，且以所述第二光纤的中轴线与所述第二端面的交点为中心，第二数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面。
优选的，所述第二端面的凹形曲面为抛物面或高斯面。
优选的，当所述第一端面中的椭球面和所述第二端面中的椭球面相同时，所述第一端面的的椭球面的长轴与所述第二端面的椭球面的短轴不平行。
优选的，所述第一端面上镀有第一反射膜，和/或，所述第二端面上镀有第二反射膜。
优选的，所述第一反射膜包括层叠的五氧化二钽薄膜和二氧化硅薄膜；所述第二反射膜包括层叠的五氧化二钽薄膜和二氧化硅薄膜。
优选的，所述第一端面和所述第二端面的对接工艺为熔接或粘接。
优选的，所述第一光纤为单模光纤或多模光纤或光子晶体光纤；所述第二光纤为单模光纤或多模光纤或光子晶体光纤。
优选的，所述微腔具有开口。
一种光纤法布里珀罗传感器的制作方法，该方法包括：
去除第一光纤尾端的涂覆层，得到第一端面；
去除第二光纤尾端的涂覆层，得到第二端面；
利用二氧化碳激光处理所述第一端面，使得所述第一端面为凹形曲面，且以所述第一光纤的中轴线与所述第一端面的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面；
对接所述第一端面和第二端面，得到一微腔，并固定连接所述第一光纤和所述第二光纤，制得所述非简并光纤法布里珀罗传感器，所述微腔为稳定腔。
优选的，该方法在对接所述第一端面和第二端面，得到一微腔前还包括：
利用二氧化碳激光处理所述第二端面，使得所述第二端面为凹形曲面，且以所述第二光纤的中轴线与所述第二端面的交点为中心，第二数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面。
优选的，该方法在对接所述第一端面和第二端面，得到一微腔前还包括：
在所述第一端面镀第一反射膜；在所述第二端面镀第二反射膜。
一种测试装置，包括：
上述任一项所述的光纤法布里珀罗传感器；
位于所述第一光纤背离所述第二光纤一侧的光源，所述光源向所述光纤法布里珀罗传感器发射连续波长的激光；
位于所述第二光纤背离所述第一光纤一侧的光谱仪，所述光谱仪用于接收所述光纤法布里珀罗传感器出射的光线。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器由第一光纤和第二光纤两段光纤对接形成，其中，所述第一光纤朝向所述第二光纤一侧的第一端面为凹形曲面，且该凹形曲面通过二氧化碳激光处理得到，从而可以在第一光纤和第二光纤两段光纤对接后形成一个满足稳定腔条件的微腔，以使得本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器具有良好的模式匹配，超高的精细度，较大的自由光谱范围，较窄的微腔线宽，良好的稳定性以及较小的体积和较高的集成度。
而且，本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器中，所述第一端面的凹形曲面里以所述第一光纤的中轴线与所述第一端面的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面，而椭圆腔在空间上是由长轴截面的曲率半径和短轴截面曲率半径的两个腔镜组成的，所以会有不同的共振腔长，即一个波长会在两个相邻的位置共振，又由于这两个等效的腔的对称轴是垂直的，会导致两个模式的偏振也是垂直的，从而使得本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器出射的光谱线具有两个相邻的非简并的模式，且这两个模式的偏振是正交的，进而使得所述光纤法布里珀罗传感器在应用时可以利用光子的自由度，有利于所述光纤法布里珀罗传感器的进一步发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的结构示意图；
图2示为本发明一个实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器中所述第一端面的正视图；
图3为图2所示第一端面中椭球面的长轴和短轴的剖视图；
图4为所述光纤法布里珀罗传感器的扫描波长的透射光谱随时间变化的曲线示意图，相邻透射峰的间隔为自由光谱范围；
图5为所述光纤法布里珀罗传感器的入射光的偏振方向与所述光纤法布里珀罗传感器的椭球气泡微腔的长轴或者短轴平行的透射光谱曲线示意图；
图6为所述光纤法布里珀罗传感器的入射光的偏振方向与所述光纤法布里珀罗传感器的椭球气泡微腔的长轴或者短轴一定夹角(该夹角既不是45°，也不是90°)的透射光谱曲线示意图；
图7为所述光纤法布里珀罗传感器的入射光的偏振方向与所述光纤法布里珀罗传感器的椭球气泡微腔的长轴或者短轴夹角45度的透射光谱曲线示意图；
图8为本发明一个实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的制作方法的流程图；
图9为本发明另一个实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的制作方法的流程图；
图10为本发明又一个实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的制作方法的流程图；
图11为本发明再一个实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的制作方法的流程图；
图12为本发明一个实施例所提供的测试装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，现有外腔式光纤法布里珀罗传感器的精细度较低，而且，现有外腔式光纤法布里珀罗传感器中两个光纤端面形成的微腔的基模是简并的，不能利用光子的偏振自由度，限制了光纤法布里珀罗传感器的进一步发展。
传统的基于光纤的法布里珀罗传感器的微腔的光纤端面有平面和非平面两种。其中，基于平面的外腔式光纤法布里珀罗传感器的光纤端面由机械研磨加工而来，其光纤端面的粗糙度可以做到很低(如0.1nm)，降低了散射损耗，从而在所述法布里珀罗传感器的光纤端面上镀反射膜，可以获得较高的反射率。但是，根据光学谐振腔理论可知，基于平面的外腔式光纤法布里珀罗传感器中，由于两个光纤端面是平面，对接形成的微腔不是稳定腔，存在光场的泄漏，大大降低了平面的外腔式光纤法布里珀罗传感器的精细度，一般不超过1000。
基于非平面的外腔式光纤法布里珀罗传感器的光纤端面采用飞秒激光加工或化学腐蚀得到，这种方法得到所述光纤端面的粗糙度极高，散射损耗较大，反射率难以提高，导致基于非平面的外腔式光纤法布里珀罗传感器的精细度也较低，无法得到1000以上的精细度，限制了所述光纤法布里珀罗传感器的应用。
此外，现有的光纤法布里珀罗传感器中相对的两个光纤端面都是凹圆面镜或平面镜，从而使得现有的光纤法布里珀罗传感器中相对的两个光纤端面形成的镜面都是圆对称的面形，相应的，现有的光纤法布里珀罗传感器中相对的两个光纤端面形成的微腔也是圆对称的光学腔，而圆对称的光学腔的基模是简并的，即所述微腔内同时存在两个偏振正交的模式，且无法区分这两个偏振正交的模式，导致现有外腔式光纤法布里珀罗传感器在使用时不能利用光子的偏振自由度(比如路径、轨道角动量、频率、时间、偏振等信息)，限制了光纤法布里珀罗传感器的进一步发展。
发明人研究发现，当光纤法布里珀罗传感器中相对的两个光纤端面形成的镜面不是圆对称的，或者光纤法布里珀罗传感器中相对的两个光纤端面形成的圆对称镜面遭到破坏时，则会导致原来简并的两个正交模式不简并(称为模式劈裂)，如当水平偏振模式存在时，竖直偏振模式则不会存在。此时，所述微腔内的两个正交的偏振模式是可以被区分的，从而使得光纤法布里珀罗传感器在使用时，可以充分利用光子的偏振自由度，扩大了光纤法布里珀罗传感器的进一步发展。
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光纤法布里珀罗传感器，如图1所示，该传感器包括：
相对的第一光纤1和第二光纤2，所述第一光纤1朝向所述第二光纤2一侧的第一端面11为凹形曲面，且所述第一端面11和所述第二光纤2朝向所述第一光纤1一侧的第二端面21对接形成一微腔3。
需要说明的是，在本发明实施例中，所述第一光纤1和所述第二光纤2对准后连接闭合，使得所述第一端面11和所述第二端面21作为反射镜形成微腔，所述微腔的空间内留有空气间隙，且所述微腔3为稳定腔。还需要说明的是，在光学谐振腔中，光在两反射镜之间来回不断反射，因而通常要求谐振腔能保证光在腔内来回反射过程中始终不离开谐振腔。满足这一要求的腔称为稳定腔。对于光线在谐振腔中的行为，由光线在腔内往返传输的矩阵表示法可以证明：对腔长为L，镜面曲率半径分别为R1和R2的谐振腔，其稳定条件为：0<(1－L/R1)*(1－L/R2)<1或(1－L/R1)＝(1－L/R2)＝0。
在本发明实施例中，所述第一端面11的凹形曲面通过二氧化碳激光处理得到，以使得所述第一端面11为超光滑表面，从而实现极低的表面粗糙度，如0.2nm，降低所述第一端面的散射损耗，提高所述光纤法布里珀罗传感器的精细度，同时便于所述第一端面11上后续可以镀上反射率超高的反射膜，提高所述光纤法布里珀罗传感器的精细度。
具体的，在本发明实施例中，所述第一端面11的凹形曲面通过二氧化硅激光处理得到的方法包括：利用二氧化碳激光脉冲聚焦在所述第一端面11，从使得所述第一端面11的材料的吸热后迅速升华，熔化的所述第一端面11通过表面张力(或热回流)形成光滑的凹形曲面。
需要说明的是，在本发明实施例中，利用二氧化硅激光处理所述第一端面11可以在得到凹形曲面的同时，使得所述凹形曲面的粗糙度较低，保证所述第一光纤1和所述第二光纤2形成微腔3满足稳定腔的条件，还便于后续在所述第一端面11镀具有超高反射率的反射膜。
在上述任一实施例中，利用二氧化硅激光处理所述第一端面11得到的凹形曲面中，以所述第一光纤1的中轴线与所述第一端面11的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面，以使得所述光纤法布里珀罗传感器出射的光谱线具有两个相邻的非简并的模式，且这两个模式的偏振是正交的，从而使得所述光纤法布里珀罗传感器在应用时可以利用光子的自由度，有利于所述光纤法布里珀罗传感器的进一步发展。需要说明的是，在本发明实施例中，以所述第一光纤1的中轴线与所述第一端面11的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面是指：取过所述第一光纤中轴线的两个垂直的截面(如长轴截面和短轴截面)得到的剖面曲线的预设曲率半径不相等(如长轴截面对应的剖面曲线的预设曲率半径和短轴截面对应的剖面曲线的预设曲率半径不相等)。其中，所述剖面曲线的预设曲率半径是指该剖面曲线的底部的一段可以用多项式拟合成光滑的圆弧，该圆弧最低点的曲率半径记为该剖面曲线的预设曲率半径。
还需要说明的是，在本发明实施例中，所述第一端面的凹形曲面的中心要落在所述第一光纤的纤芯范围内，不能偏离所述第一光纤的纤芯区域。
如图2和图3所示，图2示出了所述第一端面的正视图；图3示出了所述第一端面中椭球面的长轴和短轴的剖视图，其中，横坐标表示所述第一光纤的水平方向(或竖直方向)的单位长度，纵坐标表示水平方向(或竖直方向)的剖面的深度大小。需要说明的是，在图2中，长轴和短轴共享同一横坐标，零点是第一端面的椭球面的最低点，因此，在图3中，横坐标可以表示第一光纤的椭球面的长轴和/或短轴方向的单位长度，纵坐标可以表示第一光纤的椭球面的长轴和/或短轴方向的剖面高度。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一端面11的凹形曲面可以为抛物面，在本发明的另一个实施例中，所述第一端面11的凹形曲面为高斯面，本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述第一端面还可以为其他凹形曲面，具体视情况而定，只要保证所述凹形曲面中以所述第一光纤1的中轴线与所述第一端面11的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面即可。
由于椭球面要用长轴和短轴方向的直径来表示其镜面的大小，且长轴方向的直径大于短轴方向的直径，可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述椭球面的长轴直径和短轴直径均不小于10微米且不大于所述第一光纤的包层直径，优选的，在本发明的一个具体实施例中，所述第一数值为10微米，即所述椭球面的短轴直径为10微米，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一端面11上镀有第一反射膜，所述第一反射膜为具有高反射率的介质膜，可选的，所述第一反射膜的反射率不小于99.99％，优选的，所述第一反射膜的反射率不小于99.998％，以提高所述第一端面11的反射率，提高所述光纤布里珀罗传感器的精细度。
具体的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一反射膜由两种不同折射率的反射膜叠加形成，以获得反射率高，散射和吸收小的反射膜。可选的，在本发明的一个实施例中，所述第一反射膜包括层叠的五氧化二钽薄膜和二氧化硅薄膜，以实现超高反射率，如99.998％的反射率，但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述第一反射膜也可以为其他光学反射膜，只要具有较高的反射率即可，具体视情况而定。需要说明的是，所述第一反射膜的反射率越高，所述第一端面11的表面就要越光滑，以保证所述第一端面11可以形成所述第一反射膜。
需要说明的是，当所述光纤法布里珀罗传感器的自由光谱范围用频率来表示时，则所述光纤法布里珀罗传感器的自由光谱范围等于光速除以两倍的腔长(所述腔长即所述微腔的长度)，而本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的腔长一般在几百纳米到几微米，因此，本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的自由光谱范围可以达到150THz左右，精细度达到100000。而所述光纤法布里珀罗传感器的微腔的线宽等于自由光谱范围除以精细度，所以本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的线宽胶窄，可以到1.5GHz。
由上可知，本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器由第一光纤1和第二光纤2两段光纤对接形成，其中，所述第一光纤1朝向所述第二光纤2一侧的第一端面11为凹形曲面，且该凹形曲面通过二氧化碳激光处理得到，从而可以在第一光纤1和第二光纤2两段光纤对接后形成一个满足稳定腔条件的微腔，以使得本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器具有良好的模式匹配，超高的精细度，较大的自由光谱范围，较窄的微腔线宽，良好的稳定性以及较小的体积和较高的集成度。
而且，本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器中，所述第一端面的凹形曲面里以所述第一光纤1的中轴线与所述第一端面11的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为椭球面，而椭圆腔(即椭球面形成的微腔)在空间上是由长轴截面的曲率半径r1和短轴截面曲率半径r2的两个腔镜组成的，所以会有不同的共振腔长，即一个波长会在两个相邻的位置共振，又由于这两个等效的腔的对称轴是垂直的，会导致两个模式的偏振也是垂直的，从而使得本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器出射的光谱线具有两个相邻的非简并的模式，且这两个模式的偏振是正交的，进而使得所述光纤法布里珀罗传感器在应用时可以利用光子的自由度，有利于所述光纤法布里珀罗传感器的进一步发展。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第二端面21为平面，以使得所述第二端面21可以作为平面镜；在本发明的另一个实施例中，所述第二端面21为凸形曲面，以使得所述第二端面21可以作为凸面镜；在本发明的又一个实施例中，所述第二端面21为凹形曲面，以使得所述第二端面21可以作为凹面镜，本发明对此并不做限定，只要保证所述第一端面11和所述第二端面21对接形成的微腔为稳定腔即可。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个可选实施例中，所述第二光纤2朝向所述第一光纤1一侧的第二端面21为凹形曲面，以在使得所述微腔3满足稳定腔的条件，减小所述微腔3的光场泄漏的同时，便于所述第二端面21的加工以及所述第一端面11和所述第二端面21的对接。可选的，在本发明实施例中，所述第二端面21通过二氧化碳激光处理得到，且以所述第二光纤2的中轴线与所述第二端面21的交点为中心，第二数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面。
需要说明的是，在本发明实施例中，以所述第二光纤2的中轴线与所述第二端面21的交点为中心，第二数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面是指：取过所述第二光纤中轴线的两个垂直的截面(如长轴截面和短轴截面)得到的剖面曲线的预设曲率半径不相等(如长轴截面对应的剖面曲线的预设曲率半径和短轴截面对应的剖面曲线的预设曲率半径不相等)。其中，所述剖面曲线的预设曲率半径是指该剖面曲线的底部的一段可以用多项式拟合成光滑的圆弧，该圆弧最低点的曲率半径记为该剖面曲线的预设曲率半径。
还需要说明的是，在本发明实施例中，所述第二端面的凹形曲面的中心要落在所述第二光纤的纤芯范围内，不能偏离所述第二光纤的纤芯区域。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第二端面21的凹形曲面为抛物面；在本发明的另一个实施例中，所述第二端面21的凹形曲面为高斯面，本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述第二端面21还可以为其他凹形曲面，具体视情况而定，只要保证所述第二端面21的凹形曲面中以所述第二光纤2的中轴线与所述第二端面21的交点为中心，第二数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面即可。
由于椭球面要用长轴和短轴方向的直径来表示其镜面的大小，且长轴方向的直径大于短轴方向的直径，可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述椭球面的长轴直径和短轴直径均不小于10微米且不大于所述第二光纤的包层直径，优选的，在本发明的一个具体实施例中，所述第二数值为10微米，即所述椭球面的短轴直径为10微米，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
需要说明的是，在上述实施例中，当所述第一端面的凹形曲面中以所述第一光纤的中轴线与所述第一端面的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面，所述第二端面的凹形曲面中以所述第二光纤的中轴线与所述第二端面的交点为中心，第二数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面，且所述第一端面中的椭球面和所述第二端面中的椭球面相同时，所述第一端面的的椭球面的长轴与所述第二端面的椭球面的短轴不平行，以避免所述光纤法布里珀罗传感器的基模变成简并模式。
还需要说明的是，在本发明实施例中，所述第一端面中的椭球面和所述第二端面中的椭球面相同是指：当所述第一端面中的椭球面和所述第二端面中的椭球面的中心重合且所述第一端面中的椭球面长轴和第二端面中的椭球面的长轴平行时，所述第一端面中的椭球面和所述第二端面中的椭球面重合。
可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，当所述第一端面的凹形曲面中以所述第一光纤的中轴线与所述第一端面的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面，所述第二端面的凹形曲面中以所述第二光纤的中轴线与所述第二端面的交点为中心，第二数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面时，所述第一端面中的椭球面的长轴与所述第二端面中的椭球面的长轴平行，或所述第一端面中的椭球面的短轴与所述第二端面中的椭球面的短轴平行，以让所述光纤法布里珀罗传感器的模式劈裂最大，提高所述光纤法布里珀罗传感器的非简并性。
具体的，在本发明实施例中，所述第二端面21的凹形曲面通过二氧化硅激光处理得到的方法包括：利用二氧化碳激光脉冲聚焦在所述第二端面21，从使得所述第二端面21的材料的吸热后迅速升华，熔化的所述第二端面21通过表面张力(或热回流)形成光滑的凹形曲面。
需要说明的是，在本发明实施例中，利用二氧化硅激光处理所述第二端面21可以在得到凹形曲面的同时，使得所述凹形曲面的粗糙度较低，保证所述第一光纤1和所述第二光纤2形成微腔3满足稳定腔的条件，还便于后续在所述第二端面21镀具有超高反射率的反射膜。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第二端面21上镀有第二反射膜，所述第二反射膜为具有高反射率的介质膜，可选的，所述第二反射膜的反射率不小于99.99％，优选的，所述第二反射膜的反射率不小于99.998％，以提高所述第二端面21的反射率，提高所述光纤布里珀罗传感器的精细度。
具体的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第二反射膜由两种不同折射率的反射膜叠加形成，以获得反射率高，散射和吸收小的反射膜。可选的，在本发明的一个实施例中，所述第二反射膜包括层叠的五氧化二钽薄膜和二氧化硅薄膜，以实现超高反射率，如99.998％的反射率，但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述第二反射膜还可以为其他光学反射膜，只要具有较高的反射率即可，具体视情况而定。需要说明的是，所述第二反射膜的反射率越高，所述第二端面21的表面就要越光滑，以保证所述第二端面21可以形成所述第二反射膜。
本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器，利用所述第一端面11和所述第二端面21的凹形曲面对接形成微腔3，且所述微腔3满足稳定腔的条件，减小光场泄漏现象，极大地降低了所述微腔3的几何损耗，提高所述光纤法布里珀罗传感器精细度。
具体的，在本发明的一个实施例中，所述第一端面11和所述第二端面21的反射率相同，均为R，则本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的精细度Finesse＝π/(1-R)。当所述第一反射膜和所述第二反射膜的反射率可以达到99.99％时，则本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的精细度Finesse为31000；当所述第一反射膜和所述第二反射膜的反射率可以达到99.997％时，则本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的精细度Finesse超过十万。
假设所述第一端面中的椭球面的长轴截面对应的剖面曲线的预设曲率半径为r1，短轴截面对应的剖面曲线的预设曲率半径为r2，所述光纤法布里珀罗传感器的入射波长为λ，如果想要所述光纤法布里珀罗传感器的基模是非简并的(即所述光纤法布里珀罗传感器的劈裂大小和线宽相等)，则所述第一反射膜和/或所述第二反射膜的反射率R要大于1-(λ/2π)*((r1-r2)/(r1*r2))。取r1＝100微米，r2＝50微米，波长672nm，则如果想要所述光纤法布里珀罗传感器的基模是非简并的，则所述第一反射膜和/或所述第二反射膜的反射率要大于99.9％。而一般反射率可以到99.99％，因此，本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的劈裂(即非简并性)会非常明显。
由此可见，本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的精细度可以达到十几万，相较于现有光纤法布里珀罗传感器，本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的精细度大大提高了。而且，本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器具有非简并的腔模(即所述微腔的基模是非简并的)，可以利用光子的自由度，有利于所述光纤法布里珀罗传感器的进一步发展。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一端面11和所述第二端面21的对接工艺为熔接，即所述第一光纤1和所述第二光纤2通过所述第一端面11和所述第二端面21之间的熔接实现固定连接，从而形成所述传感器。具体的，所述第一端面11和所述第二端面21通过光纤熔接机熔接。具体的，在所述第一端面11镀上第一反射膜，在所述第二端面21镀上第二反射膜后，利用光纤熔接机将所述第一端面11和所述第二端面21的包层边缘熔接，直接形成具有超高精细度的气泡微腔。
在本发明的另一个实施例中，所述第一端面11和所述第二端面21的对接工艺为粘接，即所述第一光纤1和所述第二光纤2通过所述第一端面11和所述第二端面21之间的粘接实现固定连接，从而形成所述传感器。具体的，在本发明一个实施例中，所述第一端面11和所述第二端面21之间的粘接可以通过胶水实现，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一光纤1可以为单模光纤，也可以为多模光纤，还可以为光子晶体光纤等；同理，所述第二光纤2可以为单模光纤，也可以为多模光纤，还可以为光子晶体光纤等。本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
如图4-图7所示，图4-图7示出了本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器的透射光谱示意图。具体的，图4示出了所述光纤法布里珀罗传感器的扫描波长的透射光谱随时间变化的曲线示意图(即所述光纤法布里珀罗传感器出射的光谱线随时间变化的曲线示意图)，相邻透射峰的间隔为自由光谱范围，其获得方法包括：用连续光源发射的光线滤成线偏光入射到所述微腔内，所述续光源发射的光线的波长随时间均匀增加，并用光电探测器探测所述微腔出射的透射光线，即可探测到一个个透射峰。图5-图7为图4中不同偏振方向的光线入射后，各透射峰的放大示意图，其中，图5为所述光纤法布里珀罗传感器的入射光的偏振方向与所述光纤法布里珀罗传感器的椭球气泡微腔(即所述第一端面和所述第二端面对接形成的微腔)的长轴或者短轴平行的透射光谱曲线示意图；图6是所述光纤法布里珀罗传感器的入射光的偏振方向与所述光纤法布里珀罗传感器的椭球气泡微腔的长轴或者短轴一定夹角(该夹角既不是45°，也不是90°)的透射光谱曲线示意图；图7是所述光纤法布里珀罗传感器的入射光的偏振方向与所述光纤法布里珀罗传感器的椭球气泡微腔的长轴或者短轴夹角45度的透射光谱曲线示意图。从图5可以看出线偏光与所述微腔的某一个劈裂的非简并模式的偏振方向相同；从图6可以看出线偏光的偏振方向与所述微腔的其中一个偏振模式的偏振方向的夹角既不是45°，也不是90°时，线偏光在其中一个偏振方向上的投影分量大于另一个偏振方向上的投影分量；从图7中可以看出线偏光的偏振方向和两个非简并的正交的劈裂的模式的偏振方向的夹角为45°时，线偏光在两个正交偏振方向上的投影分量大小相等。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述微腔可以为密封空气腔，也可以具有开口，从而便于通过所述开口向所述微腔内填充测量液体(如可以改变光线折射率的液体)，以增大所述光纤法布里珀罗传感器的测量参数范围，扩大所述光纤法布里珀罗传感器的应用范围。
综上所述，本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器，具有非简并的腔模，良好的模式匹配，超高的精细度，较大的自由光谱范围，较窄的微腔线宽，良好的稳定性以及较小的体积和较高的集成度。
相应的，本发明实施例还提供了一种光纤法布里珀罗传感器的制作方法，如图8所示，该方法包括：
S1：去除第一光纤尾端的涂覆层，得到第一端面。
需要说明的是，在本发明实施例中，所述第一光纤为入射端光纤，所述第一光纤的尾端为所述第一光纤中信号出射的一端。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，去除第一光纤尾端的涂覆层，得到第一端面之后，该方法还包括：对所述第一端面进行切割处理，以获得平整的所述第一端面。
S2：去除第二光纤尾端的涂覆层，得到第二端面。
需要说明的是，在本发明实施例中，第二光纤为出射端光纤，所述第二光纤的尾端为所述第二光纤中信号输入的一端。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，去除第二光纤尾端的涂覆层，得到第二端面之后，该方法还包括：对所述第二端面进行切割处理，以获得平整的所述第二端面。
S3：利用二氧化碳激光处理所述第一端面，使得所述第一端面为凹形曲面，且以所述第一光纤的中轴线与所述第一端面的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面。
具体的，在本发明的一个实施例中，利用二氧化碳激光处理所述第一端面，使得所述第一端面为凹形曲面包括：利用二氧化碳激光脉冲聚焦在所述第一端面，从使得所述第一端面的材料的吸热后迅速升华，熔化的所述第一端面通过表面张力(或热回流)形成光滑的凹形曲面，以在得到凹形曲面的同时，使得所述凹形曲面的粗糙度较低，保证后续所述第一光纤和所述第二光纤形成微腔满足稳定腔的条件，还便于后续在所述第一端面镀具有超高反射率的反射膜。
由于椭球面要用长轴和短轴方向的直径来表示其镜面的大小，且长轴方向的直径大于短轴方向的直径，可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述椭球面的长轴直径和短轴直径均不小于10微米且不大于所述第一光纤的包层直径，优选的，在本发明的一个具体实施例中，所述第一数值为10微米，即所述椭球面的短轴直径为10微米，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
S4：对接所述第一端面和第二端面，得到一微腔，并固定连接所述第一光纤和所述第二光纤，制得所述光纤法布里珀罗传感器，所述微腔为稳定腔。
具体的，在本发明的一个实施例中，对接所述第一端面和第二端面，得到一微腔，并固定连接所述第一光纤和所述第二光纤之后还包括：利用光纤涂覆机在所述第一光纤和所述第二光纤的未被涂覆层包覆的部分形成涂覆层，以保护所述第一光纤和所述第二光纤不断裂。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图9所示，该方法在对接所述第一端面和第二端面，得到一微腔前还包括：
S5：在所述第一端面镀第一反射膜。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一反射膜为具有高反射率的介质膜，可选的，所述第一反射膜的反射率不小于99.99％，优选的，所述第一反射膜的反射率不小于99.998％，以提高所述第一端面的反射率，提高所述光纤布里珀罗传感器的精细度。
具体的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一反射膜由两种不同折射率的反射膜叠加形成，以获得反射率高，散射和吸收小的反射膜。可选的，在本发明的一个实施例中，所述第一反射膜包括层叠的五氧化二钽薄膜和二氧化硅薄膜，以实现超高反射率，如99.998％的反射率，但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述第一反射膜还可以为其他光学反射膜，只要具有较高的反射率即可，具体视情况而定。需要说明的是，所述第一反射膜的反射率越高，所述第一端面的表面就要越光滑，以保证所述第一端面可以形成所述第一反射膜。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图10所示，该方法在对接所述第一端面和第二端面，得到一微腔前还包括：
S6：利用二氧化碳激光处理所述第二端面，使得所述第二端面为凹形曲面，且以所述第二光纤的中轴线与所述第二端面的交点为中心，第二数值为短轴直径的曲面区域为椭球面。
具体的，在本发明的一个实施例中，利用二氧化碳激光处理所述第二端面，使得所述第二端面为凹形曲面包括：利用二氧化碳激光脉冲聚焦在所述第二端面，从使得所述第二端面的材料的吸热后迅速升华，熔化的所述第二端面通过表面张力(或热回流)形成光滑的凹形曲面，以在得到凹形曲面的同时，使得所述凹形曲面的粗糙度较低，保证所述第一光纤和所述第二光纤形成微腔满足稳定腔的条件，还便于后续在所述第二端面镀具有超高反射率的反射膜。
由于椭球面要用长轴和短轴方向的直径来表示其镜面的大小，且长轴方向的直径大于短轴方向的直径，可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述椭球面的长轴直径和短轴直径均不小于10微米且不大于所述第二光纤的包层直径，优选的，在本发明的一个具体实施例中，所述第二数值为10微米，即所述椭球面的短轴直径为10微米，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图11所示，该方法在对接所述第一端面和第二端面，得到一微腔前还包括：
S7：在所述第二端面镀第二反射膜。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第二反射膜为具有高反射率的介质膜，可选的，所述第二反射膜的反射率不小于99.99％，优选的，所述第二反射膜的反射率不小于99.998％，以提高所述第二端面的反射率，提高所述光纤布里珀罗传感器的精细度。
具体的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第二反射膜由两种不同折射率的反射膜叠加形成，以获得反射率高，散射和吸收小的反射膜。可选的，在本发明的一个实施例中，所述第二反射膜包括层叠的五氧化二钽薄膜和二氧化硅薄膜，以实现超高反射率，如99.998％的反射率，但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述第二反射膜还可以为其他光学反射膜，只要具有较高的反射率即可，具体视情况而定。需要说明的是，所述第二反射膜的反射率越高，所述第二端面的表面就要越光滑，以保证所述第二端面可以形成所述第二反射膜。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，该方法在固定连接所述第一光纤和所述第二光纤，制得所述光纤法布里珀罗传感器之后，还包括：对制得的所述光纤法布里珀罗传感器进行测试、挑选，以获得合格的所述光纤法布里珀罗传感器。
利用本发明实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器制作方法制作的光纤法布里珀罗传感器具有非简并的腔模，良好的模式匹配，超高的精细度，较大的自由光谱范围，较窄的微腔线宽，良好的稳定性以及较小的体积和较高的集成度。
此外，本发明实施例还提供了一种测试装置，如图12所示，该测试装置包括：
上述任一实施例所提供的光纤法布里珀罗传感器10；
位于所述第一光纤背离所述第二光纤一侧的光源20，所述光源20用于向所述光纤法布里珀罗传感器10发射连续波长的激光；
位于所述第二光纤背离所述第一光纤一侧的光谱仪30，所述光谱仪用于接收所述光纤法布里珀罗传感器10出射的光线。
具体工作时，所述光源20用于发射连续的光线耦合进所述光纤法布里珀罗传感器10，所述光源20发射的光线经过所述光纤法布里珀罗传感器10时，只有满足共振条件的波长，才可以从所述光纤法布里珀罗传感器10射出，从而使得所述光源发射的光线经过所述光纤法布里珀罗传感器10之后形成一系列分离的谱线，被所述光谱仪30测得。优选的，所述光源20发射的激光波长可调。具体的，在本发明的一个实施例中，所述光源20为宽带光源。但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
具体的，由于所述光纤法布里珀罗传感器所处环境的待测的温度、所述光纤法布里珀罗传感器受到的应力、光谱线等待测物理量可以改变所述微腔的腔长(如温度会导致热胀冷缩，从而改变所述微腔的腔长，应力可以拉伸所述第一光纤和所述第二光纤，从而也可以改变所述微腔的腔长)，从而改变所述光纤法布里珀罗传感器的共振波长，进而改变所述光纤法布里珀罗传感器的微腔的出射光谱，因此，本发明实施例所提供的测试装置可以通过对比待测物理量作用于所述光纤法布里珀罗传感器前后，所述光纤法布里珀罗传感器出射的光谱，获得待测物理量作用于所述光纤法布里珀罗传感器前后，所述光纤法布里珀罗传感器出射的光谱(或共振波长)改变量，再根据所述光纤法布里珀罗传感器的光谱(或共振波长)改变量与所述光纤法布里珀罗传感器腔长的关系，得到所述光纤法布里珀罗传感器腔长的改变量，最后根据所述光纤法布里珀罗传感器腔长的改变量折算成相应的待测物理量的变化，实现对待测物理量的测量或监控。
另外，本发明实施例所提供的测试装置中，由于所述光纤法布里珀罗传感器的微腔的椭球面使得所述微腔具有非简并性，即所述微腔内存在两个偏振正交模式的劈裂，当不同偏振的光线入射到所述微腔里时，由于非简并腔在一个腔长下只能支持一个偏振模式，从而使得入射的偏振光会被投影到非简并的那个偏振模式上，从而达到偏振旋转的作用。
因此，本发明实施例所提供的测试装置可以用于对温度、应力或光谱等参数的高灵敏度的测量，也可以作为微型的偏振光学元件，如偏振滤波器、起偏器、检偏器等。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (14)
1.一种光纤法布里珀罗传感器，其特征在于，包括：
相对的第一光纤和第二光纤，所述第一光纤朝向所述第二光纤一侧的第一端面为凹形曲面，且所述第一端面和所述第二光纤朝向所述第一光纤一侧的第二端面对接形成一微腔，所述微腔为稳定腔；
其中，所述第一端面的凹形曲面通过二氧化碳激光处理得到，且以所述第一光纤的中轴线与所述第一端面的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一端面的凹形曲面为抛物面或高斯面。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二光纤朝向所述第一光纤一侧的第二端面为凹形曲面，且所述第二端面通过二氧化碳激光处理得到，且以所述第二光纤的中轴线与所述第二端面的交点为中心，第二数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面。
4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第二端面的凹形曲面为抛物面或高斯面。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，当所述第一端面中的椭球面和所述第二端面中的椭球面相同时，所述第一端面的的椭球面的长轴与所述第二端面的椭球面的短轴不平行。
6.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述第一端面上镀有第一反射膜，和/或，所述第二端面上镀有第二反射膜。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述第一反射膜包括层叠的五氧化二钽薄膜和二氧化硅薄膜；所述第二反射膜包括层叠的五氧化二钽薄膜和二氧化硅薄膜。
8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一端面和所述第二端面的对接工艺为熔接或粘接。
9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一光纤为单模光纤或多模光纤或光子晶体光纤；所述第二光纤为单模光纤或多模光纤或光子晶体光纤。
10.根据权利要求1-9任一项所述的传感器，其特征在于，所述微腔具有开口。
11.一种光纤法布里珀罗传感器的制作方法，其特征在于，该方法包括：
去除第一光纤尾端的涂覆层，得到第一端面；
去除第二光纤尾端的涂覆层，得到第二端面；
利用二氧化碳激光处理所述第一端面，使得所述第一端面为凹形曲面，且以所述第一光纤的中轴线与所述第一端面的交点为中心，第一数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面；
对接所述第一端面和第二端面，得到一微腔，并固定连接所述第一光纤和所述第二光纤，制得所述非简并光纤法布里珀罗传感器，所述微腔为稳定腔。
12.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，该方法在对接所述第一端面和第二端面，得到一微腔前还包括：
利用二氧化碳激光处理所述第二端面，使得所述第二端面为凹形曲面，且以所述第二光纤的中轴线与所述第二端面的交点为中心，第二数值为短轴直径的曲面区域为等效椭球面。
13.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，该方法在对接所述第一端面和第二端面，得到一微腔前还包括：
在所述第一端面镀第一反射膜；在所述第二端面镀第二反射膜。
14.一种测试装置，其特征在于，包括：
权利要求1-10任一项所述的光纤法布里珀罗传感器；
位于所述第一光纤背离所述第二光纤一侧的光源，所述光源向所述光纤法布里珀罗传感器发射连续波长的激光；
位于所述第二光纤背离所述第一光纤一侧的光谱仪，所述光谱仪用于接收所述光纤法布里珀罗传感器出射的光线。
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