CN108731713A - 一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三包层石英基特种光纤D型微腔结构传感器及制备方法，包括光源、传感单元、光谱仪，传感单元包括入射单模光纤、具有微腔结构的三包层石英基特种光纤和出射单模光纤，具有微腔结构的三包层石英基特种光纤分别与入射单模光纤、出射单模光纤相连接，入射单模光纤的另一端与光源连接，出射单模光纤的另一端与光谱仪连接。本发明将光纤放于酒精溶液，利用其自身结构特点，对酒精溶液进行吸附；将浸泡后的光纤与普通商光纤熔接机进行手动熔接，并通过控制熔接参数与熔接次数控制微腔的大小。本发明制作的微腔结构传感器结构紧凑、制备简单，可应用于温度、压强以及应力等传感领域。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，尤其涉及一种特种光纤微腔结构传感器及其制备方法。
背景技术
自上世纪70年代以来，光纤传感器以其独特的优势引起众多研究者的关注。光纤传感器突出优势体现在：灵敏度高、动态范围大、响应速度快、微米尺寸、生物兼容性好、机械强度高且成本低廉。而近年来，采用微腔结构的光纤传感器广泛应用在工业生产、生物医学、航空航天等领域，并实现了温度、压力、应变和折射率等物理参量的测量。微腔结构主要分为空气微腔、实体微腔及液体填充微腔。光纤空气微腔主要有开放空气微腔和封闭空气微腔两种形式。
微腔结构加工技术主要有化学腐蚀、光纤熔接、飞秒激光微加工、微加工与热加工组合及电机放电加工等技术。化学腐蚀利用氢氟酸与石英材料或石英材料的化学反应，从而在光纤末端腐蚀出微腔，其可操作性差、可重复性低且安全系数低；飞秒激光微加工通过使用高精密的位移定位平台，对空气微腔结构参数精确控制，但其制备系统庞大，价格昂贵；而本发明的制作方法是基于特种光纤熔接的基础上与电机放电加工技术相结合，简化了其微腔结构传感器制作的工艺复杂度，提高了其稳定性以及降低其制作成本，实现了在简化其工艺的基础上，实现高性能和低损耗的光纤传感器。
发明内容
本发明针对传统制作微腔结构技术的不足，提出一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器及制备方法，利用酒精受热气化及高温分解在光纤熔接处形成微腔结构，以实现更高灵敏度与更大范围的参数传感。
为实现上述目的，本发明主要包括宽带光源、传感单元以及光谱仪，所述传感单元包括入射单模光纤、具有微腔结构的三包层石英基特种光纤和出射单模光纤；所述具有微腔结构的三包层石英基特种光纤分别与入射单模光纤、出射单模光纤一端相连接，入射单模光纤的另一端与宽带光源连接，出射单模光纤的另一端与光谱仪连接。
进一步的，所述具有微腔结构的三包层石英基特种光纤从内之外依次为TCQSF纤芯、TCQSF内包层、TCQSF环形空气孔层和TCQSF外包层。
进一步的，所述具有微腔结构的三包层石英基特种光纤一端经酒精浸泡后与入射单模光纤熔接后形成D型微腔结构。
进一步的，所述入射单模光纤、出射单模光纤的纤芯半径均为4.5μm、包层半径均为62.5μm；三包层石英基特种光纤纤芯半径为4.27μm，掺氟内包层半径为13.2μm，环形空气孔层半径为22.8μm，外包层半径为62.5μm。
进一步的，所述三包层石英基特种光纤微腔结构的长度范围为18.89-107.56μm。
一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器的制备方法，步骤如下：
步骤1，在室温为20℃-30℃温度下，将经过切割的、长度为L(L≥10mm)的三包层石英基特种光纤(TCQSF)的一端浸入到酒精溶液中，浸入长度为10mm，浸泡时间15-45分钟；由于TCQSF结构特点，浸泡后的TCQSF环形空气孔层有酒精溶液的浸入；
步骤2，采用普通商用光纤熔接机，对浸有酒精溶液的三包层石英基特种光纤与入射单模光纤进行放电熔接，放电电流强度为85mA，时间为0.3s，推进量为6μm，放电次数为1次，形成初始微腔结构；
步骤3，改变熔接参数，将放电电流强度设为80mA，时间为0.25s，放电次数为1次或者1次以上，由于环形空气孔层中，酒精在高温情况下受热分解，产生氢气、二氧化碳和甲烷等气体，内部压强瞬间急速增大形成微腔结构；
步骤4，将三包层石英基特种光纤另一端切平与出射单模光纤熔接形成三包层石英基特种光纤微腔结构传感器；熔接电流强度为90mA，时间为0.3s，推进量为10μm，并可以通过多次放电来控制微腔的大小。
工作过程如下：
光束由输入端SMF进入TCQSF，由于TCQSF结构的折射率分布与熔接点处微腔结构的特殊性，一部分光由单模光纤纤芯通过微腔结构传输进入TCQSF纤芯中，另一部分光由于微腔结构的存在，进入TCQSF掺氟内包层，空气孔层以及其外包层进行传输。因为纤芯模与包层模传输光的传输常数的不同，经过一定长度的TCQSF，不同模式之间传输的光程不同，产生光程差。当经过TCQSF与单模光纤的熔接点时，两束光发生马赫-曾德尔干涉，并经由输出端SMF输出，可以实现气压、温度、折射率等参数的检测。
本发明与需要技术相比具有如下优点：
1、结构紧凑、制备简单，利用酒精受热气化及高温分解在光纤熔接处形成微腔结构，利用普通的商业熔接机，通过对熔接参数的控制，利用酒精受热气化及高温分解在光纤熔接处形成D型微腔结构。
2、利用纤芯中不同模式之间的干涉，基于马赫-曾德尔干涉原理，通过峰值漂移捕获法进行算法处理，将干涉条纹特性和待测物理量信息进行拟合，定性分析其传感特性，建立该传感器传输光谱与外界探测量之间的关系，实现外界环境信息，如温度、折射率与压强的检测，其具有体积小、灵敏度高抗电磁干扰等诸多优点，在光纤传感方面有广阔的应用前景与巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明的光纤D型微腔结构传感器结构图。
图2为本发明的TCQSF预处理示意图。
图3为本发明熔接机熔接过程图。
图4为本发明的D型微腔结构实物图。
图5为本发明的D型微腔结构实物图。
图6为本发明的传输光谱测试装置图。
图7为本发明的传输光谱图。
附图标号：1-入射单模光纤、2-D型微腔结构、3-TCQSF纤芯、4-TCQSF内包层、5-TCQSF环形空气孔层、6-TCQSF外包层、7-出射单模光纤、8-浸泡酒精溶液后的TCQSF、9-酒精溶液、10-光纤熔接机熔接电极、11-宽带光源、12-入射单模光纤跳线、13-传感单元、14-出射单模光纤跳线、15-光谱仪。
具体实施方式
如图1、6所示，本发明主要包括宽带光源11、传感单元13以及光谱仪15，所述传感单元包括入射单模光纤1、具有D型微腔结构的三包层石英基特种光纤和出射单模光纤7；所述具有微腔结构的三包层石英基特种光纤分别与入射单模光纤、出射单模光纤一端相连接，入射单模光纤的另一端与宽带光源连接，出射单模光纤的另一端与光谱仪连接。所述具有D型微腔结构的三包层石英基特种光纤从内之外依次为TCQSF纤芯3、TCQSF内包层4、TCQSF环形空气孔层5和TCQSF外包层6。
所述具有D型微腔结构的三包层石英基特种光纤一端经酒精浸泡后形成浸泡酒精溶液后的TCQSF8，浸泡酒精9溶液后的TCQSF与入射单模光纤熔接后形成D型微腔结构2。
如图2所示，将长度为L的TCQSF，垂直放置于酒精溶液中，浸泡时间为15-45分钟。
如图3所示，将浸泡完成后的TCQSF与切割完整的纤芯半径为4.5μm，包层半径62.5μm入射单模光纤采用手动熔接，所使用的熔接机10为古河FITEL S178型光纤熔接机，设置其熔接强度为85mA，熔接时间为0.3s，推进量为6μm，放电次数一次，形成初始微腔结构，改变其熔接参数，熔接强度为80mA，熔接时间为0.25S，推进量为6μm，熔接一次或多次，得到所需的D型微腔结构。
图4为腔长长度为18.89μm的D型微腔结构实物图。
图5为腔长长度为107.56μm的D型微腔结构实物图。
图6所示的温度实验系统装置图中，单模光纤12与波长范围为1520-1610nm的ASE3700型宽带光源相连接，另一端与所制备的传感单元连接，并将传感单元另一端连接AQ6375型光学光谱仪11。
图7为该发明作为传感单元得到的传输光谱图。
以上所述的实施仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器，主要包括宽带光源、传感单元以及光谱仪，其特征在于：所述传感单元包括入射单模光纤、具有微腔结构的三包层石英基特种光纤和出射单模光纤；所述具有微腔结构的三包层石英基特种光纤分别与入射单模光纤、出射单模光纤一端相连接，入射单模光纤的另一端与宽带光源连接，出射单模光纤的另一端与光谱仪连接。
2.根据权利要求1所述的一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器，其特征在于：所述三包层石英基特种光纤从内之外依次为TCQSF纤芯、TCQSF内包层、TCQSF环形空气孔层和TCQSF外包层。
3.根据权利要求1所述的一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器，其特征在于：所述三包层石英基特种光纤一端经酒精浸泡后与入射单模光纤熔接后形成D型微腔结构。
4.根据权利要求1所述的一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器，其特征在于：所述入射单模光纤、出射单模光纤的纤芯半径均为4.5μm、包层半径均为62.5μm；三包层石英基特种光纤纤芯半径为4.27μm，掺氟内包层半径为13.2μm，环形空气孔层半径为22.8μm，外包层半径为62.5μm。
5.根据权利要求1所述的一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器，其特征在于：所述三包层石英基特种光纤微腔结构的长度范围为18.89-107.56μm。
6.一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器的制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
步骤1，在室温为20℃-30℃温度下，将经过切割的、长度为L(L≥10mm)的三包层石英基特种光纤(TCQSF)的一端浸入到浓度为99.7％的无水酒精溶液中，浸入长度为10mm，浸泡时间15-45分钟；由于TCQSF结构特点，浸泡后的TCQSF环形空气孔层有酒精溶液的浸入；
步骤2，采用普通商用光纤熔接机，对浸有酒精溶液的三包层石英基特种光纤与入射单模光纤进行放电熔接，放电电流强度为85mA，时间为0.3s，推进量为6μm，放电次数为1次，形成初始微腔结构；
步骤3，改变熔接参数，将放电电流强度设为80mA，时间为0.25s，放电次数为1次或者1次以上，由于环形空气孔层中，酒精在高温情况下受热分解，产生氢气、二氧化碳和甲烷等气体，内部压强瞬间急速增大形成微腔结构；
步骤4，将三包层石英基特种光纤另一端切平与出射单模光纤熔接形成三包层石英基特种光纤微腔结构传感器；熔接电流强度为90mA，时间为0.3s，推进量为10μm，并可以通过多次放电来控制D型结构微腔的大小。
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- 2018-05-31 CN CN201810548658.4A patent/CN108731713B/zh active Active
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