CN108225386A - 一种基于800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于800nm飞秒激光器制作光纤F‑P传感器的方法包括：在高精度三维运动平台上固定光纤夹具，将去除涂层的HI‑1060光纤固定在所述光纤夹具上；在所述光纤夹具正上方布置高反镜，在所述高反镜前端依次布置800nm飞秒激光器、半波片、偏振片、衰减片和用于激光穿过的窗口，所述800nm飞秒激光器以划线的方式发射飞秒激光，所述飞秒激光依次穿过所述半波片、偏振片、衰减片和窗口，经所述高反镜反射后由100倍的显微镜聚焦至所述光纤夹具上的HI‑1060光纤，对所述HI‑1060光纤划线刻写；在所述高反镜正上方布置电荷耦合器件，所述电荷耦合器观测激光的聚焦位置和激光对所述夹具上HI‑1060光纤的加工形貌。本发明的方法制作的光纤F‑P传感器用于温度测量具有更高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种基于800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器的方法。
背景技术
近年来，光纤传感器由于具有质量轻、体积小、抗腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点，已经广泛应用于物理、化学和生物传感领域。光纤F-P干涉传感器属于相位调制型传感器，因此具有结构简单和灵敏度高等优势。光纤F-P干涉传感器分为本征型和非本征型F-P干涉传感器。非本征型光纤F-P干涉传感器由于腔内介质是空气，导致F-P腔内的光与光纤产生较大的耦合损耗。目前，本征型光纤F-P干涉传感器的制作方法有端面镀膜、化学腐蚀和熔接等方法，但是上述制作方法较为复杂。飞秒激光作为一种新兴的加工手段，具有超短脉冲、超强峰值功率和高聚焦能力等优点，能够在各种光纤中实现超精细三维微加工，因此飞秒激光可作为制作本征型光纤F-P干涉传感器的理想工具。现有技术中具有以下几类：
通过飞秒激光脉冲直接曝光的方法，分别在直径为125μm和14.39μm的单模光纤纤芯中制作两个菲涅耳反射镜，形成本征型F-P传感器。
利用飞秒激光直接曝光的方法分别制作腔长为200μm和400μm的本征型光纤F-P干涉传感器，并对腔长为400μm的F-P传感器的温度和折射率传感特性进行分析。
但是上述本征型光纤F-P传感器均是采用飞秒激光在光纤纤芯直接曝光的方式制作而成，其反射光谱的干涉条纹对比度均不足10dB，且未知温度对F-P传感器的干涉波谷强度的影响。
因此，为了解决上述问题，需要一种能够利用飞秒激光制作干涉条纹对比度相对较高的本征型F-P传感器，实现光纤F-P传感器具有较高温度灵敏度的基于800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器的方法。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种基于800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器的方法，所述方法包括：
在高精度三维运动平台上固定光纤夹具，将去除涂层的HI-1060光纤固定在所述光纤夹具上；
在所述光纤夹具正上方布置高反镜，在所述高反镜前端依次布置800nm飞秒激光器、半波片、偏振片、衰减片和用于激光穿过的窗口，所述800nm飞秒激光器以划线的方式发射飞秒激光，所述飞秒激光依次穿过所述半波片、偏振片、衰减片和窗口，经所述高反镜反射后由100倍的显微物镜聚焦至所述光纤夹具上的HI-1060光纤，对所述HI-1060光纤划线刻写；
在所述高反镜正上方布置电荷耦合器件，所述电荷耦合器观测激光的聚焦位置和激光对所述夹具上HI-1060光纤的加工形貌。
优选地，所述HI-1060光纤通过环形器连接宽带光源和光谱分析仪，所述光谱分析仪实时观测所述宽带光源发射的测试激光的反射光谱。
优选地，所述宽带光源发射的测试激光的波长范围为1530nm～1600nm。
优选地，所述光谱分析仪的工作波长范围为1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.05nm。
优选地，在所述HI-1060光纤刻写过程中，控制所述高精度三维运动平台的移动和所述窗口的闭合/开启，制作不同腔长的光纤F-P传感器。
优选地，所述显微物镜的放大倍数为100倍，数、值孔径为0.70。
优选地，在所述光纤夹具的上方和下方分别安装LED照明设备。
优选地，所述800nm飞秒激光器发射的飞秒激光的单脉冲能量为5μJ，加工速度为80um/s，刻写长度为40μm。
本发明的另一个方面在于提供一种使用光纤F-P传感器测量温度的方法，所述方法包括：
搭建温度测试系统，所述温度测开始系统包括宽带光源、环形器、光纤F-P传感器、加热平台和光谱分析仪；
将所述光纤F-P传感器固定在所述加热平台上，改变平台的温度；
所述光谱分析仪实时观测并记录所述光纤F-P传感器的反射光谱。
本发明一种基于800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器的方法制作的光纤F-P传感器，干涉条纹对比度相对较高，用于温度测量具有更高的灵敏度。
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示意性示出了本发明制作F-P传感器的示意图；
图2示出了本发明制作的光纤F-P传感器的示意图；
图3示出了本发明制作的光纤F-P传感器的显微结构示意图；
图4示出了本发明使用光纤F-P传感器测量温度的示意图；
图5示出了本发明制作的光纤F-P传感器在常温下的反射光谱示意图；
图6示出了本发明的一个实施例中光纤F-P传感器波谷对应波长的温度特性曲线；
图7示出了本发明的一个实施例中光纤F-P传感器波谷强度随温度变化的曲线。
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，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。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，除非另有说明。下面通过具体的实施例对本发明的内容进行说明，如图1所示出了本发明制作F-P传感器的示意图，根据本发明的实施例中一种基于800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器的方法包括：
在高精度三维运动平台101上固定光纤夹具(图中未示出)，将去除涂层的HI-1060光纤102固定在光纤夹具上。
在光纤夹具正上方布置高反镜104，在高反镜前端依次布置800nm飞秒激光器105、半波片106、偏振片107、衰减片108和用于激光穿过的窗口109，800nm飞秒激光器105以划线的方式发射飞秒激光，飞秒激光依次穿过半波片106、偏振片107、衰减片108和窗口109，经高反镜104反射后由100倍的显微物镜103聚焦至光纤夹具上的HI-1060光纤102，对HI-1060光纤102划线刻写。
在高反镜104正上方布置电荷耦合器件110，电荷耦合器110观测激光的聚焦位置和激光对夹具上HI-1060光纤102的加工形貌。在光纤夹具的上方和下方分别安装LED照明设备，以保证电荷耦合器件准确观测到飞秒激光光斑在HI-1060光纤102中的聚焦位置和光纤的加工形貌。
根据本发明的实施例，优选地800nm飞秒激光器105选用激光器中心波长800nm、脉冲宽度35fs、重复频率1kHz的钛蓝宝石飞秒激光器，发射的飞秒激光的单脉冲能量为5μJ，加工速度为80um/s，刻写长度为40μm。
HI-1060光纤102通过环形器111连接宽带光源111和光谱分析仪112，光谱分析仪112实时观测宽带光源111发射的测试激光的反射光谱。
应当理解，上述制作光纤线F-P传感器的过程中，宽带光源111发射，测试激光，光谱分析仪112实时观测测试激光的反射光谱，同时控制高精度三维运动平台101的移动和窗口109的闭合/开启，制作不同腔长的光纤F-P传感器。根据本发明的实施例，宽带光源111发射的测试激光的波长范围为1530nm～1600nm。光谱分析仪的工作波长范围为1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.05nm。显微物镜的放大倍数为100倍，数值孔径为0.70。
如图2所示本发明制作的光纤F-P传感器的示意图，图3所示本发明制作的光纤F-P传感器的显微结构示意图，在下文的实施例中将通过制作腔长为50μm和100μm的光纤F-P传感器进行温度测量。如图2所示，本发明制作的光纤F-P传感器201具有两个锥形槽202，两个锥形槽202构成了F-P的两个反射端面，两个锥形槽202的反射光会在纤芯203中发生耦合。两束反射光的相位差异产生不同的干涉光强，对应反射光谱的不同峰值，形成干涉光谱。如图3所示，其中(a)为50μm的腔长的光纤F-P传感器，(b)为100μm腔长的光纤F-P传感器。
如图4所示本发明使用光纤F-P传感器测量温度的示意图，根据本发明的实施例，利用制作的光纤F-P传感器测量温度的方法，包括：
搭建温度测试系统，温度测试系统包括宽带光源402、环形器404、光纤F-P传感器201、加热平台401和光谱分析仪403。
将光纤F-P传感器201固定在加热平台上401，改变平台的温度，光谱分析仪403实时观测并记录光纤F-P传感器201的反射光谱，根据反射光谱得到加热平台的温度。
下面对制作的50μm腔长和100μm腔长的光纤F-P传感器分别按照本发明提供的方法进行温度测量。
如图5所示本发明制作的光纤F-P传感器在常温下的反射光谱示意图，其中(a)50μm腔长的光纤F-P传感器在常温下的反射光谱，(b)为100μm腔长的光纤F-P传感器在常温下的反射光谱。从图中可以看出干涉条纹对比度均大于12dB，自由光谱范围分别为16.75nm和8.25nm，其中在波长为1520nm～1610nm范围内的干涉光谱中出现的波谷数量分别为5个和11个，波谷数量与腔长满足正比关系。
在进行温度测量前，需要对本发明制作的光纤F-P传感器进行理论分析：
光纤F-P传感器的干涉光谱可以表示为：
其中，I1和I2分别是左右两个锥形槽的反射光强；n为纤芯的有效折射率；L是F-P腔的腔长；φ0为两束反射光的初始相位差。当相位满足:
干涉强度取最小值。式中，k为整数，λD为干涉光谱中波谷的对应波长。因此，光纤F-P传感器的自由光谱范围可以表示为：
其中，λ1和λ2分别是干涉光谱中两个相邻波谷对应的波长。
在公式(2)中，使nL对λD进行求导可得：
式中，Δ(nL)表示F-P腔内光程变化量，ΔλD为干涉光谱中波谷的波长漂移量。由于光纤存在热膨胀效应和热光效应，因此当外界温度变化时，光纤F-P传感器的光程差就会发生变化：
Δ(nL)＝nL(α+ξ)ΔT(5)
式中，α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。干涉光谱中波谷的波长漂移量与温度变化的关系可以表示为：
由上述分析可知，本发明所制作的光纤F-P传感器可以用来进行温度测量。
图6示出了本发明的一个实施例中光纤F-P传感器波谷对应波长的温度特性曲线，图7示出了本发明的一个实施例中光纤F-P传感器波谷强度随温度变化的曲线。
采用不同腔长F-P传感器进行温度测量，实施例中分别对腔长为50μm和100μm的两个光纤F-P传感器干涉波谷的波长随温度的变化规律进行分析。实施例中设计加热平台的温度变化范围为100～400℃，温度变化间隔为50℃，利用光谱分析仪分别记录F-P传感器在不同温度下的反射光谱。在腔长为50μm的F-P干涉光谱中选择中心波长为1530.71nm、1547.15nm、1563.96nm和1591.29nm四个干涉波谷，同时在腔长为100μm的F-P干涉光谱中选择中心波长为1539.48nm、1554.12nm、1569.89nm和1585.87nm四个干涉波谷，分别对它们的温度传感特性进行研究。如图6所示，其中
(a)为腔长L＝50μm的F-P传感器不同波谷对应的波长与温度拟合曲线，从图中可以看出，四个波长对应的干涉波谷的温度灵敏度分别为10.38pm/℃、10.58pm/℃、11.07pm/℃和10.12pm/℃，拟合曲线的线性度分别为0.9944、0.9966、0.9991和0.9976。
(b)为腔长L＝100μm的F-P传感器不同波谷对应的波长与温度曲线，可以看出，四个波谷对应的温度灵敏度分别为10.98pm/℃、10.6pm/℃、10.83pm/℃和11.63nm/℃，其中它们的线性度分别为0.9956、0.9939、0.9958和0.9993。
实施例分别对腔长为50μm和100μm的干涉波谷在不同温度下的强度进行分析。如图7所示，其中
(a)为腔长为50μm时不同干涉波谷的强度与温度关系曲线。从图中可以看出，F-P干涉传感器在100℃～400℃范围内干涉波谷的强度漂移量不超过0.27dB，干涉波谷的强度对温度变化不敏感。
(b)为腔长为100μm的光纤F-P传感器在100℃～400℃范围内不同干涉波谷的强度与温度关系曲线，可以看出，随着温度的变化，100μm的F-P传感器干涉波谷强度的漂移程度相较于50μm的F-P传感器更加明显，其中波长为1539.48nm和1569.89nm的干涉波谷的强度漂移量分别为0.71dB和0.85dB。由上述测量结果可知，制作的本征型光纤F-P干涉传感器的波谷强度与温度没有明显的线性关系。
实施例中利用中心波长为800nm的红外飞秒激光采用划线写的方式在HI-1060光纤中分别制作了腔长为50μm和100μm两个本征型的光纤F-P传感器。在100℃～400℃范围内，两个光纤F-P传感器干涉波谷的波长灵敏度分别可达11.07pm/℃和11.63pm/℃，线性拟合分别为0.9991和0.9993，两个F-P传感器干涉波谷的强度漂移量分别不超过0.27dB和0.71dB，干涉波谷强度与温度变化没有明显的线性关系。
本发明一种基于800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器的方法制作的光纤F-P传感器，干涉条纹对比度相对较高，用于温度测量具有更高的灵敏度。
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 (9)
1.一种基于800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：
在高精度三维运动平台上固定光纤夹具，将去除涂层的HI-1060光纤固定在所述光纤夹具上；
在所述光纤夹具正上方布置高反镜，在所述高反镜前端依次布置800nm飞秒激光器、半波片、偏振片、衰减片和用于激光穿过的窗口，所述800nm飞秒激光器以划线的方式发射飞秒激光，所述飞秒激光依次穿过所述半波片、偏振片、衰减片和窗口，经所述高反镜反射后由100倍的显微物镜聚焦至所述光纤夹具上的HI-1060光纤，对所述HI-1060光纤划线刻写；
在所述高反镜正上方布置电荷耦合器件，所述电荷耦合器观测激光的聚焦位置和激光对所述夹具上HI-1060光纤的加工形貌。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HI-1060光纤通过环形器连接宽带光源和光谱分析仪，所述光谱分析仪实时观测所述宽带光源发射的测试激光的反射光谱。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述宽带光源发射的测试激光的波长范围为1530nm～1600nm。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光谱分析仪的工作波长范围为1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.05nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述HI-1060光纤刻写过程中，控制所述高精度三维运动平台的移动和所述窗口的闭合/开启，制作不同腔长的光纤F-P传感器。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述显微物镜的放大倍数为100倍，数值孔径为0.70。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述光纤夹具的上方和下方分别安装LED照明设备。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述800nm飞秒激光器发射的飞秒激光的单脉冲能量为5μJ，加工速度为80um/s，刻写长度为40μm。
9.一种使用权利要求1至8中任一权利要求制作的光纤F-P传感器测量温度的方法，其特征在于，所述方法包括：
搭建温度测试系统，所述温度测系统包括宽带光源、环形器、光纤F-P传感器、加热平台和光谱分析仪；
将所述光纤F-P传感器固定在所述加热平台上，改变平台的温度；
所述光谱分析仪实时观测并记录所述光纤F-P传感器的反射光谱。
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| CN201711430005.8A CN108225386A (zh) | 2017-12-26 | 2017-12-26 | 一种基于800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器的方法 |
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| CN201711430005.8A CN108225386A (zh) | 2017-12-26 | 2017-12-26 | 一种基于800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器的方法 |
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- 2017-12-26 CN CN201711430005.8A patent/CN108225386A/zh active Pending
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