CN108871436A - 一种基于周期s型光纤锥的马赫曾德干涉仪及其制备方法 - Google Patents

一种基于周期s型光纤锥的马赫曾德干涉仪及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于周期S型光纤锥的马赫曾德干涉仪及其制备方法。该干涉仪由2～5个紧密连接的S型光纤锥组成，每个光纤锥的偏轴距离呈梯度变化。该干涉仪总长度约为0.9～2.5mm，总偏轴距离约为100～600μm。制备方法为：去除光纤的涂覆层，在光纤轴向2～5个位置分别进行熔融非轴向拉锥，每次熔融非轴向拉锥后形成单S型光纤锥区。相邻熔融位置的间隔小于一个单S型光纤锥区，且每个单S型光纤锥拉制的偏轴距离均大于(或均小于)前一个单S型光纤锥的偏轴距离。该干涉仪适用于折射率、微位移、应力和弯曲度传感，与功能材料结合适用于温度、湿度、磁场和生物传感，并且具有灵敏度高、损耗低、成本低、制备方法简单、结构紧凑、机械稳定性强以及可重复使用的优势。

Description

一种基于周期S型光纤锥的马赫曾德干涉仪及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种光纤马赫曾德干涉仪，适用于光纤折射率、微位移、应力和弯曲度传感，与功能材料结合适用于温度、湿度、磁场和生物传感。
背景技术
光纤马赫曾德干涉仪是一种重要的无源光器件，通过一个光纤耦合器将光信号分为两路或多路，作为参考臂和传感臂。经一段传输距离后，参考臂与传感臂产生光程差，通过另一个光纤耦合器合束后，形成光干涉信号。光纤马赫曾德干涉仪普遍适用于光纤激光、光纤传感以及光纤通讯领域。
由于传统的光纤马赫曾德干涉仪存在尺寸大、敏感性低，制作成本高等缺陷，限制了其应用。人们通过在光纤上拉制非绝热光纤锥，作为微型光纤马赫曾德干涉仪。其基本工作原理是：非绝热光纤锥可以将传输光信号分为两束光，一束在纤芯传输作为参考光，另一束光被激发至包层传输作为信号光，由于信号光与外界物理量相互作用后，与参考光产生相位差，所以其返回纤芯与参考光耦合产生干涉效果。利用光谱分析仪检测输出信号，得到输出光强与波长关系曲线，用于表征响应的检测参数。
非绝热光纤锥的灵敏度、机械强度与锥区长度相关，对于锥区较长的光纤锥，灵敏度高，机械稳定性差；对于锥区较短的光纤锥，灵敏度低，机械稳定性强。人们利用偏轴熔融方法拉制出一种S型光纤锥，其弯曲的锥形结构作为微型光纤耦合器，纤芯与包层分别作为参考光与信号光的传输通道，将原本间隔几十mm的锥区长度压缩到1mm以内，极大缩短了器件的尺寸，保证了结构的机械强度和稳定性，传感灵敏度有一定的提高。然而，S型光纤锥的传感性能仍然受限于其锥区长度，以及偏轴熔融拉制造成的传输光损耗。虽然人们研究了一些双S型光纤锥结构，试图提高传感灵敏度，但是由于锥区之间相互独立，灵敏度增加的同时也增加了传输光损耗，并且锥区间隔距离较长，干涉信号表征的是两个锥区周围环境折射率的平均值，不利于得到更精确的物理量参数。因此一种机械稳定性强并兼具高灵敏、低损耗、敏感区紧凑的非绝热微型光纤干涉仪成为待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
提供了基于周期S型锥光纤的简化马赫曾德干涉仪，该干涉仪适用于折射率、微位移、应力和弯曲度传感，与其他功能材料结合适用于温度、湿度、磁场和生物传感，并且具有灵敏度高、损耗低、结构紧凑、机械稳定性强以及可重复使用的优势。同时，本发明还提供该干涉仪的制备方法，该制备方法简单高效，成本低。
本发明的技术方案：
一种基于周期S型光纤锥的马赫曾德干涉仪，其特征在于：包括N个紧密连接的S型光纤锥，每个光纤锥的偏轴距离呈梯度变化。
所述的周期S型光纤锥的周期数是N，锥区总长度为L,偏轴总距离为d。其中，N＝2～5个，L＝0.9～2.5mm，d＝100～600μm。
所述的周期S型光纤锥由单模光纤、少模光纤、细芯光纤、多模光纤、保偏光纤或微结构光纤拉制。
所述的周期S型光纤锥对折射率、微位移、应力和弯曲度变化有响应能力，与功能材料结合适用于对温度、湿度、磁场和生物传感。
所述的基于周期S型光纤锥的马赫曾德干涉仪的制备方法，去除光纤的涂覆层，在光纤轴向N＝2～5个位置分别进行熔融非轴向拉锥，每次熔融非轴向拉锥后形成单S型光纤锥区，相邻熔融位置的间隔小于一个单S型光纤锥区，且每个S型光纤锥拉制的偏轴距离均大于或均小于前一个S型光纤锥的偏轴距离。
光纤熔融通过电弧放电、火焰加热或激光加热方式实现。
附图说明
图1基于周期S型光纤锥的马赫曾德干涉仪示意图，N＝2，3。
图2本发明实施例中基于周期S型光纤锥的马赫曾德干涉仪在不同折射率条件下传输光光谱图，N＝2。
具体实施方式
为进一步说明本发明的内容及特点，下面结合附图对本发明进行进一步说明，但本发明不仅限制于实施例。
实施例：
图1所示为周期数为2和3的干涉仪示意图。如图1所示，基于周期S型光纤锥的马赫曾德干涉仪，包括N＝2～5个紧密连接周期S型光纤锥，并且每个光纤锥偏轴距离呈梯度变化。锥区总长度为L,偏轴总距离为d。其中，L＝0.9～2.5mm，d＝100～600μm。该周期S型光纤锥由单模光纤、少模光纤、细芯光纤、多模光纤、保偏光纤或微结构光纤拉制。
图1给出的光信号传输路线示意图表明，光信号在第一个S型光纤锥的入口处激发，分束为参考光I1和信号光I2，并于第一个S型光纤锥的出口合束。由于第一个S型光纤锥与第二个S型光纤锥的入口紧密相连，光合束后直接在第二个S型光纤锥的入口处激发，分束为参考光I3和信号光I4，这两束光在第二个S型光纤锥的出口合束形成的传输光信号受到第一个和第二个S型光纤锥锥腰外界环境共同影响。如果增加周期数，最终的传输光信号会受到多个S型光纤锥锥腰对外界环境的响应程度共同影响(如图1所示，N＝3的干涉仪)。
上述基于周期S型光纤锥的马赫曾德干涉仪的制备方法如下：去除光纤的涂覆层，在光纤轴向N个位置分别进行熔融非轴向拉锥，每次熔融非轴向拉锥后形成单S型光纤锥区。每次熔融非轴向拉锥后形成单S型光纤锥区。相邻熔融位置的间隔小于一个单S型光纤锥区，且每个S型光纤锥拉制的偏轴距离均大于(或均小于)前一个S型光纤锥的偏轴距离。熔融方式可以通过电弧放电、火焰加热或激光加热方式实现。
图2为N＝2的周期S型光纤锥在不同折射率环境中的输出光谱信号，明显看出随着折射率的增加，输出光谱波长红移并且最低损耗明显下降，说明发明的周期S型光纤锥有较高的折射率灵敏度。这种对环境折射率的高灵敏响应能力令发明的周期S型光纤锥与功能材料结合适用于温度、湿度、磁场和生物传感。此外，由于这种周期S型光纤锥非轴向偏移锥区数量多，极易产生形变，并可恢复，所以具有较高的应力、微位移、弯曲灵敏度。
根据本发明制备的基于周期S型光纤锥的马赫曾德干涉仪适用于折射率、微位移、应力和弯曲度传感，与功能材料结合适用于温度、湿度、磁场和生物传感，并且具有灵敏度高、损耗低、成本低、制备方法简单、结构紧凑、机械稳定性强以及可重复使用的优势，可广泛应用于光纤传感领域。

Claims (6)

1.一种基于周期S型光纤锥的马赫曾德干涉仪，其特征在于：包括N个紧密连接的S型光纤锥，每个光纤锥的偏轴距离呈梯度变化。
2.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述的周期S型光纤锥的周期数是N，锥区总长度为L,偏轴总距离为d，其中，N＝2～5个，L＝0.9～2.5mm，d＝100～600μm。
3.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述的周期S型光纤锥由单模光纤、少模光纤、细芯光纤、多模光纤、保偏光纤或微结构光纤拉制。
4.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述的周期S型光纤锥对折射率、微位移、应力和弯曲度变化有响应能力，与功能材料结合适用于温度、湿度、磁场和生物传感。
5.根据如权利要求1-4任一项所述基于周期S型光纤锥的马赫曾德干涉仪的制备方法，其特征在于：去除光纤的涂覆层，在光纤轴向N＝2～5个位置分别进行熔融非轴向拉锥，每次熔融非轴向拉锥后形成单S型光纤锥区，相邻熔融位置的间隔小于一个单S型光纤锥区，且每个S型光纤锥拉制的偏轴距离均大于或均小于前一个S型光纤锥的偏轴距离。
6.根据权利要求5所述的干涉仪及其制备方法，其特征在于：光纤熔融通过电弧放电、火焰加热或激光加热方式实现。
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