CN108426533B - 一种用于检测微纳光纤直径的传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种用于检测微纳光纤直径的传感器，包括宽带光源、第一连接光纤、D型光纤、第二连接光纤和光谱分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述D型光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接，所述微纳光纤与所述D型光纤接触；所述D型光纤是通过将光纤沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，所述微纳光纤与所述D型抛磨面的平坦区域接触，所述微纳光纤通过将单模或多模光纤拉锥制备得到。本发明提供的传感器，采用D型光纤作为外部耦合器件来激发WGM，D型结构比较稳定，更容易引出倏逝波，将光耦合到待测微纳光纤中，形成WGM共振，当微纳光纤直径变化时，引起WGM共振的FSR变化，从而实现对微纳光纤直径的检测。

Description

一种用于检测微纳光纤直径的传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于检测微纳光纤直径的传感器及其制作方法。
背景技术
光纤作为新一代短距离光传输介质，以其制造简单、价格便宜、接续快捷等特点，逐渐成为局域网中短距离通信、有线电视网、室内计算机之间的光传输介质。影响光纤性能的因素是多方面的，而光纤直径的均匀性是其中很重要的因素，要保证拉制出的光纤直径均匀，就必须有完备的测控方法。目前国内外提出的直径测量很多方法，例如：(1)显微镜直读法。(2)图像剪切法。(3)后向散射法，(4)CCD非接触测量法。这些方法大多依赖操作者的主观性而产生误差，且成本较高，结构复杂，不利于大量推广。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明通过了一种用于检测微纳光纤直径的传感器，所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、D型光纤、第二连接光纤和光谱分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述D型光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接，所述微纳光纤与所述D型光纤接触。
其中，所述D型光纤是通过将光纤沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，所述微纳光纤与所述D型抛磨面的平坦区域接触。
其中，所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0～2μm。
其中，所述第一连接光纤和所述第二连接光纤为单模光纤。
其中，所述D型光纤为单模光纤。
其中，所述微纳光纤通过将单模光纤拉锥制备得到。
其中，所述微纳光纤通过将多模光纤拉锥制备得到。
其中，所述微纳光纤的直径为1～130μm。
本发明第二方面提供了一种用于检测微纳光纤直径的传感器的制作方法，包括以下步骤：
A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，制备得到D型光纤，所述D型光纤两端分别为第一连接光纤和第二连接光纤，将单模光纤或多模光纤进行拉锥，制备得到微纳光纤；
B、再将所述D型光纤悬空固定在载玻片表面，在所述D型抛磨面平坦区域放置所述微纳光纤，通过定位台控制所述D型光纤抛磨面平坦区域与所述微纳光纤接触，直到在D型光纤的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；
C、最后所述第一连接光纤与宽带光源连接，所述第二连接光纤与光谱分析仪连接，使所述宽带光源发出的光依次通过所述第一连接光纤、与所述微纳光纤接触的所述D型光纤和所述第二连接光纤，入射到所述光谱分析仪上。
其中，所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0～2μm。
倏逝波是指当一束光从光密介质入射到光疏介质时，在满足全反射的条件下，光能全部返回到光密介质中，但入射光在光疏介质中产生的电磁波并不完全消失，而是要穿透一个波长的深度，再沿着界面继续传播大约有半个波长的距离再返回光密介质，我们称进入光疏介质的波为倏逝波(消逝波或衰逝波)。
回音壁模式(以下简称WGM)指的是特定波长(一系列)的光在环形腔，或者类环形腔(比如多边形)内，在闭合腔体的边界内，通过边界连续的全反射，将光子长时间的局域在腔内保持稳定的行波传输模式。
WGM共振的自由光谱范围(FSR)的值根据近似公式
Figure BDA0001626863160000031
得到，这里λ，neff和D分别为谐振波长，待测微纳光纤的有效折射率和直径，由此可知，当入射波长和待测微纳光纤的有效折射率一定时，WGM微腔直径变化会导致WGM共振的FSR变化，从而实现对微纳光纤直径的检测。
本发明的有益效果：
本发明提供的用于检测微纳光纤直径的传感器，微纳光纤与D型光纤接触，由于待测微纳光纤与D型光纤的纤芯很近，D型光纤抛磨面表面的倏逝波更容易耦合到微纳光纤中来，形成WGM共振，通过透射谱可以观测到WGM共振峰。由于WGM共振的自由光谱范围(FSR)的值和待测微纳光纤直径存在关系
Figure BDA0001626863160000032
当微纳光纤直径变化时，引起WGM共振的FSR变化，从而实现对微纳光纤直径的检测。
本发明提供的传感器，取材方便，价格低廉，采用D型光纤作为外部耦合器件来激发WGM，D型结构比较稳定，更容易引出倏逝波，将光耦合到待测微纳光纤中，形成WGM共振，当微纳光纤直径变化时，引起WGM共振的FSR变化，从而实现对微纳光纤直径的检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中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方式，对应本领域的普通技术人员来讲，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为本发明实施例提供的温度传感器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的温度传感器中D型光纤与普通光纤耦合的结构示意图；
图3为本发明实施例2～5提供的温度传感器中D型光纤与普通光纤耦合的结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的温度传感器的光谱图；
图中附图标记所对应的名称为：1-宽带光源，2-第一连接光纤，3-D型光纤，301-包层，302-纤芯，303-D型抛磨面，4-微纳光纤，5-第二连接光纤，6-光谱分析仪，7-载玻片。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种用于检测微纳光纤直径的传感器，如图1和图2所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、第二连接光纤5和光谱分析仪6；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析仪6依次连接，所述微纳光纤4与所述D型光纤3接触；所述第一连接光纤2、D型光纤3和第二连接光纤5均采用单模光纤，所述微纳光纤4通过将单模光纤拉锥制备得到，所述微纳光纤4的直径为80μm。
所述温度传感器通过以下方法制备得到：
A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303平坦区域的包层301完全切除，使纤芯302裸露，所述D型光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；将单模光纤进行拉锥，制备得到微纳光纤4，所述微纳光纤4的直径为80μm；
B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微纳光纤4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微纳光纤4接触，直到在D型光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；
C、最后所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微纳光纤4接触的所述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪6上。
为了验证本发明提供的传感器用于检测微纳光纤直径的实用效果，采用直径为80μm的微纳光纤实现D型光纤透射率，如图4所示，WGM共振在谱图中清晰可见。自由光谱范围(FSR)的值可用于根据近似公式
Figure BDA0001626863160000061
估算微球直径，选取自由光谱范围FSR＝6.5265，此时对应的λ＝1537.4066。待测微纳光纤的有效折射率已知为neff＝1.4378，所以由公式得微纳光纤直径为80.1768μm，与设置的微纳光纤直径基本吻合，从而可知该系统可达到直径测量的目的。
实施例2
本发明提供了一种用于检测微纳光纤直径的传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、第二连接光纤5和光谱分析仪6；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析仪6依次连接，所述微纳光纤4与所述D型光纤3接触；所述第一连接光纤2、D型光纤3和第二连接光纤5均采用单模光纤，所述微纳光纤4通过将多模光纤拉锥制备得到，所述微纳光纤4的直径为1μm。
所述温度传感器通过以下方法制备得到：
A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d＝1μm，所述D型光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；将多模光纤进行拉锥，制备得到微纳光纤4，所述微纳光纤4的直径为1μm；
B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微纳光纤4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微纳光纤4接触，直到在D型光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；
C、最后所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微纳光纤4接触的所述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪6上。
实施例3
本发明提供了一种用于检测微纳光纤直径的传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、第二连接光纤5和光谱分析仪6；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析仪6依次连接，所述微纳光纤4与所述D型光纤3接触；所述第一连接光纤2、D型光纤3和第二连接光纤5均采用单模光纤，所述微纳光纤4通过将多模光纤拉锥制备得到，所述微纳光纤4的直径为40μm。
所述温度传感器通过以下方法制备得到：
A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d＝0.5μm，所述D型光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；将多模光纤进行拉锥，制备得到微纳光纤4，所述微纳光纤4的直径为40μm；
B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微纳光纤4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微纳光纤4接触，直到在D型光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；
C、最后所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微纳光纤4接触的所述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪6上。
实施例4
本发明提供了一种用于检测微纳光纤直径的传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、第二连接光纤5和光谱分析仪6；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析仪6依次连接，所述微纳光纤4与所述D型光纤3接触；所述第一连接光纤2、D型光纤3和第二连接光纤5均采用单模光纤，所述微纳光纤4通过将单模光纤拉锥制备得到，所述微纳光纤4的直径为100μm。
所述温度传感器通过以下方法制备得到：
A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d＝2μm，所述D型光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；将单模光纤进行拉锥，制备得到微纳光纤4，所述微纳光纤4的直径为100μm；
B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微纳光纤4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微纳光纤4接触，直到在D型光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；
C、最后所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微纳光纤4接触的所述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪6上。
实施例5
本发明提供了一种用于检测微纳光纤直径的传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、第二连接光纤5和光谱分析仪6；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析仪6依次连接，所述微纳光纤4与所述D型光纤3接触；所述第一连接光纤2、D型光纤3和第二连接光纤5均采用单模光纤，所述微纳光纤4通过将多模光纤拉锥制备得到，所述微纳光纤4的直径为130μm。
所述温度传感器通过以下方法制备得到：
A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d＝1.5μm，所述D型光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；将多模光纤进行拉锥，制备得到微纳光纤4，所述微纳光纤4的直径为130μm；
B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微纳光纤4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微纳光纤4接触，直到在D型光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；
C、最后所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微纳光纤4接触的所述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪6上。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种用于检测微纳光纤直径的传感器，其特征在于：所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、D型光纤、第二连接光纤和光谱分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述D型光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接；
所述D型光纤为单模光纤，是通过将光纤沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0～2μm，所述微纳光纤与所述D型抛磨面的平坦区域接触；所述微纳光纤的直径为1～130μm；
所述D型光纤的抛磨面的倏逝波耦合到所述微纳光纤中后形成WGM共振，得到WGM光谱图，根据公式自由光谱范围≈λ2/πDneff计算微纳光纤的直径，其中，neff＝1.4378,λ为波长，D为微纳光纤直径。
2.根据权利要求1所述的一种用于检测微纳光纤直径的传感器，其特征在于：所述第一连接光纤和所述第二连接光纤为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种用于检测微纳光纤直径的传感器，其特征在于：所述微纳光纤通过将单模光纤拉锥制备得到。
4.根据权利要求1所述的一种用于检测微纳光纤直径的传感器，其特征在于：所述微纳光纤通过将多模光纤拉锥制备得到。
5.一种制作权利要求1～4任一项用于检测微纳光纤直径的传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，制备得到D型光纤，所述D型光纤两端分别为第一连接光纤和第二连接光纤，将单模光纤或多模光纤进行拉锥，制备得到微纳光纤；
B、再将所述D型光纤悬空固定在载玻片表面，在所述D型抛磨面平坦区域放置所述微纳光纤，通过定位台控制所述D型光纤抛磨面平坦区域与所述微纳光纤接触，直到在D型光纤的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；
C、最后所述第一连接光纤与宽带光源连接，所述第二连接光纤与光谱分析仪连接，使所述宽带光源发出的光依次通过所述第一连接光纤、与所述微纳光纤接触的所述D型光纤和所述第二连接光纤，入射到所述光谱分析仪上。
6.根据权利要求5所述的一种用于检测微纳光纤直径的传感器的制作方法，其特征在于：所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0～2μm。
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