CN109341893A

CN109341893A - 一种基于光纤线内的多重法布里-珀罗（fp）干涉仪

Info

Publication number: CN109341893A
Application number: CN201811362976.8A
Authority: CN
Inventors: 王东宁; 邓军
Original assignee: Hangzhou Light Femtosecond Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Light Femtosecond Technology Co Ltd
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2019-02-15

Abstract

本发明提供了一种基于光纤线内的多重法布里‑珀罗（FP）干涉仪，包括宽带光源，环形器，传感头，光谱分析仪。其中传感头由单模光纤制成，其特征在于：用飞秒激光在单模光纤里刻写，得到四条平行的穿过纤芯的反射镜面，光纤端面切割成楔形，以消除端面反射干扰，每两个反射镜面可以构成一个法布里‑珀罗（FP）干涉仪，因此总共可以形成六个法布里‑珀罗（FP）干涉仪。由环形器接收来自宽带光源的光并传输至传感头，传感头再将光返回至环形器，再经由环形器传输至光谱分析仪，形成级联的法布里‑珀罗(F‑P)干涉仪。本发明具有结构紧凑、制造简单、机械强度高和成本低等优点，对高温监测极具稳定性。

Description

一种基于光纤线内的多重法布里-珀罗（FP）干涉仪

技术领域

本发明提供了一种基于光纤线内的多重法布里-珀罗（FP）干涉仪，属于光纤传感技术领域。

背景技术

光纤传感技术是20世纪70年代发展起来的，它以光波为载体用于感知和传输外界被测量信号，是许多经济、军事强国争相研究的高新技术。光纤传感器在超高温监测也具有很大的潜力，特别是在核电，汽车，钢铁，航空航天和能源工业中。目前已经开发出各种类型的光纤高温传感器，其中最常用的是基于光纤布拉格光栅（FBG），长周期光栅（LPFG）和干涉仪，干涉仪包括马赫-曾德干涉仪（MZIs），迈克尔逊干涉仪（MIs）和法布里 - 珀罗干涉仪（FPIs）。用于高温传感应用的FBG通常由飞秒激光刻写制造。由于在反射光谱中仅出现一个主波峰，因此波长追迹系统操作简单方便，然而，FBG的温度传感器的灵敏度相对较低；LPFG的传感器表现出较大的传感器头尺寸，并且它们的谐振波长通常具有相对大的带宽，这降低了系统测量的分辨率。

干涉型光纤高温传感器具有高灵敏度，可分为两种传输型和反射型两大类，传输类型是马赫-曾德（MZI）结构；反射型包括迈克尔逊干涉仪（MIs）和法布里 - 珀罗干涉仪（FPIs）。在许多高温监测应用中，反射型传感器是优选的，尤其是当感测位置处于狭窄且封闭的空间中时。对于干涉光纤传感器，系统工作范围取决于输出光谱的自由光谱范围（FSR），FSR越大，工作范围越大。然而，越大的FSR对应的光程差（OPD）越小，而其条纹的全宽半高（FWHM）也随之增大，这导致测量分辨率降低。如果采用级联双干涉仪配置，则操作范围可以显着增加，因为两个干涉仪之间的光程差（OPD）差异产生“频拍”条纹图案。目前大多数级联双干涉仪是通过使用两种不同类型的光纤或结构构造的，但这需要复杂的制造工艺，而且，两个干涉仪的光程差（OPD）难以精确控制。

最近，光纤双FPI结构已用于高温传感，它利用飞秒激光制造的点的表面和光纤端面作为三个反射镜。由于飞秒激光加工的两个表面和光纤端面具有不同的反射率，降低了输出光谱条纹的可见性。此外，在恶劣的环境中，光纤端面也容易被损坏或污染。

因此，我们希望探索一种用于监测高温的光纤传感器，通过在普通光纤内级联同种结构使它具有较大的（基本上无限的）测量范围和更高灵敏度的反射型传感器。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供一种基于光纤线内的多重法布里 - 珀罗（FP）干涉仪，本发明具有结构紧凑、制造简单、机械强度高和成本低等优点，可用于高温测量。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：一种基于光纤线内的多重法布里 -珀罗干涉仪，包括宽带光源，环形器，传感头，光谱分析仪。其中传感头由单模光纤构成，其特征在于：用飞秒激光在单模光纤里刻写，得到四条平行的穿过纤芯的反射镜面，光纤端面切割成楔形，以消除端面反射干扰。每两个反射镜面可以构成一个法布里-珀罗（FP）干涉仪，因此总共可以形成六个法布里-珀罗（FP）干涉仪。

所述的单模光纤的纤芯直径和光纤直径分别为8μm和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制备，具有成本低，制作简单的优点。

2、传感头内置多个反射镜面，可构成多个法布里-珀罗干涉仪的叠加。

3、传感头对高温检测稳定性好，可重复使用，可用于高温测量。

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为本发明传感头示意图。

图中, 1.宽带光源，2.环形器，3. 传感头，4.光谱分析仪，5.单模光纤，5a. 单模光纤纤芯，5b. 单模光纤包层，6.反射镜面，7.反射镜面，8.反射镜面，9.反射镜面，10.楔形端面。

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、环形器2、传感头3、光谱分析仪4。其连接方式为：环形器2有三个接口端，分别为：光源进口端，光源出口端，反馈端。进口端与宽带光源1连接，出口端与传感头3连接，反馈端和光谱分析仪4相连接。

图2所示为本发明传感头3的结构示意图，所述的传感头3，由单模光纤5、第一个反射镜面6、第二个反射镜面7、第三个反射镜面8、第四个反射镜面9和楔形端面10构成，单模光纤5包括单模光纤纤芯5a，单模光纤包层5b。

所述传感头的制作方法及步骤是：第一步：利用切割刀切割出一个楔形端面10；第二步：利用飞秒激光在单模光纤内刻写出穿过纤芯的第一个反射镜面6；第三步：沿着纤芯的方向平移一段距离，刻写出平行于第一个反射镜面6的第二个反射镜面7；第四步：在沿着纤芯的方向平移一段距离，刻写出平行于反射镜面7的第三个反射镜面8；第五步：在沿着纤芯的方向平移一段距离，刻写出平行于反射镜面8的第四个反射镜面9，四个反射镜面的形状与大小完全一致。在制作过程中，我们可以改变反射镜面间的距离，来改变传感头的反射谱。其中飞秒激光刻写的能量为500nJ，扫描速度为10μm/s。

结合图1，2，介绍具体的工作原理：由宽带光源1发出的光经环形器2到达传感头3，该光束在3中，首先到达第一个反射镜面6时，光被分成两部分：一部分被反射镜面6反射而原路返回；其余部分继续沿光纤纤芯传播并到达第二个反射镜面7。第二个反射镜面7发生的情况与第一个反射镜面6相同，光又被分成两部分：一部分被反射镜面7反射而原路返回；其余部分继续沿光纤纤芯传播并到达第三个反射镜面8。第三个反射镜面8发生的情况与第一个反射镜面6也相同，光又被分成两部分：一部分被反射镜面8反射而原路返回；其余部分继续沿光纤纤芯传播并到达第四个反射镜面9。当光束到达第四个反射镜面9时，光被分成两部分：一部分被反射镜面9反射而原路返回；其余部分继续沿光纤纤芯传播但不再返回纤芯。由于每两个反射镜面可以构成一个法布里-珀罗（FP）干涉仪，第一个反射镜面6与第二个反射镜面7形成一个FP；第一个反射镜面6与第三个反射镜面8形成一个FP；第一个反射镜面6与第四个反射镜面9形成一个FP；第二个反射镜面7与第三个反射镜面8形成一个FP；第二个反射镜面7与第四个反射镜面9形成一个FP；第三个反射镜面8与第四个反射镜面9形成一个FP；从而形成总共六个法布里-珀罗（FP）干涉的叠加。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应被理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于光纤线内的多重法布里-珀罗（FP）干涉仪，包括宽带光源，环形器，传感头，光谱分析仪，其连接方式为：环形器输入端连接宽带光源，环形器反馈端连接光谱分析仪，环形器输出端连接传感头，其特征在于：所述的传感头，是由飞秒激光在单模光纤里刻写，得到四条平行的反射镜面构成的，光纤端面切割成楔形，以消除端面反射干扰，每两个反射镜面可以构成一个法布里-珀罗（FP）干涉仪，因此总共可以形成六个法布里-珀罗（FP）干涉仪。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤线内的多重法布里-珀罗（FP）干涉仪，其特征为：所述的单模光纤的纤芯直径和光纤直径分别为8μm和125μm。