CN108759883A - 基于飞秒激光刻写直线波导的光纤线内马赫-曾德干涉仪 - Google Patents

基于飞秒激光刻写直线波导的光纤线内马赫-曾德干涉仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于飞秒激光刻写直线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已经熔接好的单模‑无芯‑单模光纤内刻写直线波导构成。其特征是：飞秒激光在已经熔接好的单模‑无芯‑单模光纤内刻写直线波导。其中，直线波导将无芯光纤两端的单模光纤的纤芯连接起来。直线波导刻写完成后，第一段单模光纤纤芯的光一部分会被直线波导导引出来穿过无芯光纤并传输至第二段单模光纤纤芯，一部分光紧贴直线波导传输至后一个单模光纤纤芯。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、体积小和灵敏度高等特点，可应用于高温和弯曲测量。

Description

基于飞秒激光刻写直线波导的光纤线内马赫-曾德干涉仪
技术领域
本发明提供了一种基于飞秒激光刻写直线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，如特种光纤的分段熔接，光纤纤芯的错位熔接，基于微纳光纤和光纤内置气腔的结构。以上所述结构均有很大不足，特殊光纤价格昂贵；光纤纤芯错位熔接其重复性难以实现，并且手动组装需要大量时间；微纳光纤和内置气腔设备很脆弱，坚固性差。此外，它们的自由光谱范围（FSR）难以精确控制。为了克服这些缺点，我们需要采用微纳加工技术来制作光纤传感器件。
目前，利用飞秒激光进行微纳加工已得到了长足发展，飞秒激光辐射可以在二氧化硅材料内部的局部区域产生持久的正或负折射率改变，因此它可以用于在二氧化硅材料内部刻写波导。尽管二氧化碳激光和紫外激光曝光法均可用于制作二氧化硅材料中的光波导，但飞秒激光刻录法具有较高的精度和较好的表面光滑度。另外，由飞秒激光器制成的器件更适合在高温下工作。因此，飞秒激光在器件生产上有很大的潜力，有望在光纤内制备各种用于高温传感的光电子器件。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供了一种基于飞秒激光刻写直线波导的光纤线内马赫-曾德干涉仪，其结构坚固、制造简单、高温下温度灵敏度高。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：基于飞秒激光刻写直线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，由飞秒激光在已经熔接好的单模-无芯-单模光纤内刻写直线波导构成；其中，直线波导将无芯光纤两端的单模光纤的纤芯连接起来。直线波导结构刻写完成后，第一段单模光纤纤芯的光一部分会被直线波导导引出来穿过无芯光纤并传输至第二段单模光纤纤芯，一部分光紧贴直线波导传输至后一个单模光纤纤芯。在制作的过程中，所熔接的单模-无芯-单模光纤中无芯光纤长度可调整，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。
所述无芯光纤其光纤直径为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和无芯光纤，具有制作简单，成本低的优点。
2、传感头对于温度和弯曲都具有敏感性，可以用于对环境参数的同时测量。其中对温度的变化反应最敏感，具有较高的灵敏度。
3、传感头机械性能较强。
4、传感头的制作易于控制，可以通过改变无芯光纤的长度精确控制传感头的自由光谱范围（FSR）。
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.无芯光纤， 6.单模光纤，6a. 单模光纤包层，6b. 单模光纤纤芯，7.直线波导。
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、无芯光纤5、单模光纤6、直线波导7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，单模光纤6包括单模光纤包层6a，单模光纤纤芯6b。
所述传感头2的制作方法及步骤是：第一步：熔接单模光纤4和无芯光纤5；第二步，将无芯光纤5切至需要长度；第三步，将无芯光纤5的另一端与单模光纤6熔接；第四步，利用飞秒激光在已经熔接好的单模光纤4-无芯光纤5-单模光纤6内刻写直线波导7，其覆盖单模光纤纤芯4b和单模光纤纤芯6b各 100μm，并且贯穿整个无芯光纤5。在制作的过程中，我们可以通过调节中间无芯光纤5的长度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。

Claims (3)

1.基于飞秒激光刻写直线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，由飞秒激光在已经熔接好的单模-无芯-单模光纤内刻写直线波导构成；其中，直线波导将无芯光纤两端的单模光纤的纤芯连接起来，直线波导结构刻写完成后，第一段单模光纤纤芯的光一部分会被直线波导导引出来穿过无芯光纤并传输至第二段单模光纤纤芯，一部分光紧贴直线波导传输至后一个单模光纤纤芯，在制作的过程中，所熔接的单模-无芯-单模光纤中无芯光纤长度可调整，以得到不同光程差的马赫—曾德干涉仪。
2.根据权利要求1所述一种基于飞秒激光刻写直线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。
3.根据权利要求1所述一种基于飞秒激光刻写直线波导的光纤线内马赫-曾德干涉仪的传感器装置,其特征是：所述无芯光纤其光纤直径为125μm。
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