CN109734300A - 一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法，属于光纤干涉仪传感器领域，提供一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法。利用熔接机对加工光纤分三个阶段进行放电，首先第一个阶段是通过电弧放电先将光纤熔融且使中心位置的光纤变细，然后第二个阶段光纤开始向相反的方向移动，进而逐渐地拉制出锥形；与第二个阶段同时，旋转其中一端的夹具对光纤施加扭转力，且扭转力主要集中在直径较细的锥腰区域；最后，第三个阶段进行小电流、短时间放电，对整个螺旋锥结构进行整形，使其更连续、平整。利用一边拉锥、一边扭转的方法制备出螺旋锥结构。拉锥中所施加的扭转力能够最大限度的被保留在锥形区域，进而使模式之间的耦合增强，从而显著提高器件的灵敏度。

Description

一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法

技术领域

本发明属于光纤干涉仪传感器领域，具体涉及一种光纤熔融拉锥时旋转其中一端光纤夹具制备螺旋锥光纤干涉仪的方法。

背景技术

光纤传感器具有体积小、质量轻和抗电磁干扰的优点，近几年来吸引了人们的广泛关注，其中，光纤干涉仪传感器以其制备工艺简单，器件成本低而得到了迅速发展。光纤干涉仪利用光纤受到外界物理场的扰动而使在其内部传输的光波相位发生变化，通过测量相位就可以获得外界物理场的信息。与其它类型传感器相比，相位调制型光纤传感器因为采用的是干涉技术，所以具有较高的检测灵敏度，并且探头形式灵活多样，可用于不同的测量环境，同时还具有较快的响应速度。光纤干涉仪传感器主要包括马赫-曾德尔(MZ)干涉仪、迈克尔逊(Michelson)干涉仪、法布里-珀罗(FP)干涉仪和萨格纳克(Sagnac)干涉仪，相比于后三种干涉仪，光纤MZ干涉仪的结构更加简单，所以对它的研究制备较多，其应用也更加广泛。光纤锥是一种透射型MZ干涉仪，其工作原理为：在光纤锥的前半部分，由于光纤半径沿轴向的逐渐减小，使得光不能被完全限制在纤芯中传输，一部分纤芯模式泄露出去，形成包层模式。纤芯模式和包层模式经过一定距离的传输，会产生相位差，从而使两种模式在光纤锥的后半部分发生干涉，形成干涉条纹。

研究表明，当光通过具有螺旋锥结构的光纤时，由于扭转的存在，使输入光的偏振态发生改变，并且在直径较细的锥腰区域由于两个应力区之间的螺旋会增强不同模式之间的反复耦合，从而能够显著提高干涉强度。据此，2015年，南开大学张伟刚课题组提出了光纤预扭转锥结构。所谓预扭转锥，是指在拉锥之前，先将光纤进行一定角度的扭转，然后再利用电弧放电法或灯丝加热法进行拉锥，形成预扭转锥。目前，拉制预扭转锥的方法主要有两种：(1)熔接机电弧放电法；(2)灯丝加热器加热法。其中灯丝加热器加热法拉锥时，需要严格控制加热温度和光纤移动速度，以使光纤纤芯和包层均匀地变细从而形成锥形，因此该方法制备预扭转锥的过程比较复杂。而利用熔接机电弧放电法拉制预扭转锥，放电时两电极间温度瞬间可达2000℃左右，使光纤呈熔融态，使得拉锥前对光纤施加的预扭转力绝大部分被释放，最终致使模式之间的干涉较弱，光谱的可见度较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是：提供一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法。利用熔接机对加工光纤分三个阶段进行放电，首先第一个阶段主要是通过电弧放电先将光纤熔融且使中心位置的光纤变细，然后第二个阶段光纤开始向相反的方向移动，进而逐渐地拉制出锥形；与第二个阶段同时，旋转其中一端的夹具对光纤施加扭转力，且扭转力主要集中在直径较细的锥腰区域；最后，第三个阶段进行小电流、短时间放电，对整个螺旋锥结构进行整形，使其更连续、平整。利用这种一边拉锥、一边扭转的方法制备出螺旋锥结构。这样，拉锥中所施加的扭转力能够最大限度的被保留在锥形区域，进而使模式之间的耦合增强，从而显著提高器件的灵敏度。

本发明通过以下方案实现:

一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法，具体步骤如下：

(1)、光纤的预处理：

首先，取一段30cm-60cm长的光纤，用光纤钳在中间部位剥去2cm-4cm的涂覆层，然后用酒精棉沿着光纤轴向的同一方向将剥去涂覆层部分的光纤擦拭干净；

(2)、样品放置：

将步骤(1)中处理好的光纤平直地放置在保偏熔接机的V形槽里，调整光纤的放置位置，使熔接机的放电电极正对着剥去涂覆层光纤的中间部位，然后用两端的光纤夹具将其固定，使光纤处于自然平直状态；

(3)、拉锥时放电时间和放电电流设置：

光纤样品放置好之后，设置熔接机的拉锥的放电时间和放电电流，分为三个阶段：第一阶段放电时间为7-10s，放电电流为12-16mA；第二阶段放电时间为6-8s，放电电流为10-12mA；第三阶段放电时间为1-3s，放电电流为5-8mA；

(4)、利用一边拉锥、一边扭转的方法制备螺旋锥：

步骤(3)设置完成之后，熔接机开始放电拉锥；放电时，电极放电区域温度为2000℃，使电极正对着的光纤呈熔融态，进而对其拉锥；当拉锥过程进行到第二阶段时，手动将熔接机右端的光纤夹具旋转180°-720°，使得光纤的熔融拉锥区域发生扭转，最终放电完成时制备出螺旋锥的结构。

进一步地，步骤(1)中所用的光纤为单模光纤(SMF-28e)或熊猫保偏光纤(PMF1550125-13/250)。

进一步地，所使用单模光纤的纤芯直径为8μm-9μm，包层直径为125μm，涂覆层直径为250μm。

进一步地，所使用熊猫保偏光纤的纤芯直径为9μm-10μm，应力区直径为33μm，纤芯与应力区之间的距离为6μm，包层直径为125μm，涂覆层直径为250μm。

进一步地，步骤(2)中所使用的光纤熔接机的型号为：爱立信FSU 995PM。

进一步地，步骤(4)中所制备的螺旋锥结构，其锥腰直径为30μm-60μm，锥长为600μm-1000μm。

与现有的光纤干涉仪制备方法相比，本发明具有以下优点：

(1)、利用熔接机一边拉锥，一边扭转的电弧放电法制备螺旋锥结构，其制备工艺简单，制备成本低，在实际中有广泛的应用前景。

(2)、该螺旋锥光纤干涉仪进行扭转测试时，具有较高的灵敏度且可以辨别扭转的方向。另外该螺旋锥结构对温度几乎不敏感，很好地解决了扭转和温度交叉敏感的问题。

附图说明

图1：本发明的一种螺旋锥光纤干涉仪制备方法的实验装置示意图；

图2：本发明的一种在熊猫保偏光纤上制备螺旋锥的光学显微镜图；

图3：本发明的一种制备的螺旋锥的透射光谱图；

图4：本发明的一种螺旋锥的透射光谱随扭转率变化的结果；

图5：本发明的一种螺旋锥的透射波长随扭转率变化的结果；

图6：本发明的一种螺旋锥的透射波长随温度变化的结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例1：

利用熔接机一边拉锥，一边扭转的电弧放电法在熊猫保偏光纤(PMF1550125-13/250)上制备螺旋锥。该螺旋锥光纤干涉仪的制备工艺简单、成本低，在进行扭转测试时具有较高的灵敏度和方向辨别能力，且对温度几乎不敏感，很好的解决了实际测试时交叉敏感的问题，具有广泛的应用前景。

利用电弧放电的方法，该螺旋锥的具体制备步骤如下：

(1)、光纤的预处理

首先，取一段60cm长的普通单模光纤或者熊猫保偏光纤，其中普通单模光纤的参数如下：纤芯直径为9μm，包层直径为125μm，涂覆层直径为250μm；熊猫保偏光纤的参数为：纤芯直径为9μm，应力区直径为33μm，纤芯与应力区之间的距离为6μm，包层直径为125μm，涂覆层直径为250μm。然后用光纤钳在其中间部位剥去2cm的涂覆层，并用酒精棉沿着光纤轴向的同一方向将剥去涂覆层部分的光纤擦拭干净。

(2)、样品放置

将步骤(1)中处理好的光纤平直地放置在保偏熔接机(爱立信FSU 995PM)的V形槽里，仔细调整光纤的放置位置，使熔接机的放电电极正对着剥去涂覆层光纤的中间部位，然后用两端的光纤夹具将其固定，使光纤处于自然平直状态。。

(3)、拉锥时放电时间和放电电流设置

光纤样品放置好之后，选择熔接机里拉锥的程序，该拉锥过程一共分为三个阶段，每一阶段的放电时间和放电电流设置如下：第一阶段放电时间为7s，放电电流为16mA；第二阶段放电时间为6s，放电电流为12mA；第三阶段放电时间为3s，放电电流为5mA。

(4)、利用熔接机电弧放电的方法制备螺旋锥

步骤(3)设置完成之后，按下熔接机上的“Fuse”按键，熔接机开始放电拉锥。放电时，电极放电区域温度瞬间可达2000℃左右，使电极附近的光纤呈熔融态，进而对其拉锥。当拉锥过程进行到第二阶段时，手动将熔接机右端的光纤夹具旋转720°，使得光纤的熔融拉锥区域发生扭转，最终放电完成时制备出螺旋锥的结构。如图2所示，所制备螺旋锥的锥腰直径为45μm，锥长为660μm。

如图1所示，是制备螺旋锥的实验装置示意图，具体的步骤如上所述。然后将制备好的螺旋锥结构一端连接宽带光源(丹麦NKTPhotonics公司，Superk Compact)，另一端连接光谱分析仪(日本Yokogawa公司，AQ6370B)。宽带光源输出超连续光，经过螺旋锥结构，进入光谱分析仪，由光谱分析仪对透射光谱进行实时的监测。图2是在熊猫保偏光纤上制备的螺旋锥的光学显微镜图，其锥腰直径为45μm，锥长为600μm。由于拉锥时旋转光纤夹具的原因，从图2中可以清楚地观察到熊猫光纤两个应力区呈螺旋状，这增强了模式之间的耦合，提高了器件的传感灵敏度。图3是所制备螺旋锥的透射光谱图，在1200nm-1700nm的波长范围内，透射谱中存在多个干涉峰，在扭转和温度测试中，选取图中所标示的A峰监测其光谱的变化。

实施例2：

对实施例1所制备的螺旋锥进行扭转和温度响应的测试。

首先对螺旋锥进行扭转测试，具体的测试步骤如下：

(1)、首先将螺旋锥结构用光纤夹具固定，固定时应保证不要对结构施加多余的拉力，其中一端光纤夹具固定不动，另一端可以自由旋转，且两个夹具之间的距离为9cm。

(2)、然后将螺旋锥结构的一端连接宽带光源(丹麦NKTPhotonics公司，SuperkCompact)，另一端连接光谱分析仪(日本Yokogawa公司，AQ6370B)，并设置光谱分析仪的分辨率为0.02nm，波长扫描范围为1200nm-1700nm。其中宽带光源输出超连续光，光谱分析仪对扭转测试时的透射光谱进行实时监测。

(3)、最后设置光纤夹具自由旋转端每步旋转的角度为5°，然后对螺旋锥分别施加顺时针和逆时针方向的扭转，并通过光谱分析仪监测和存储透射光谱的变化结果。

图4和图5是扭转测试的实验结果。图4是对螺旋锥施加不同方向(顺时针/逆时针)的扭转，随着扭转率的变化，透射光谱的漂移情况，该透射峰对应于图3中所标示的A峰。从图中可以发现，当沿着顺时针的扭转率逐渐增大时，透射光谱向短波方向移动，发生“蓝移”；当逆时针的扭转率逐渐增大时，透射光谱向长波方向移动，发生“红移”。图5是螺旋锥在不同扭转率下透射波长的变化情况，可以发现，当分别沿着顺时针和逆时针扭转测试时，波长的漂移方向相反，据此可以辨别扭转的方向。经过线性拟合，得到扭转测试的灵敏度，其中顺时针扭转测试时具有较高的灵敏度，可以达到-3.191nm/(rad/m)。

然后对螺旋锥进行温度测试，具体的测试步骤如下：

(1)、首先将螺旋锥的一端连接宽带光源(丹麦NKTPhotonics公司，SuperkCompact)，另一端连接光谱分析仪(日本Yokogawa公司，AQ6370B)，并设置光谱分析仪的分辨率为0.02nm，波长扫描范围为1200nm-1700nm。

(2)、然后使用酒精棉将加热台的台面擦拭干净，并用吹耳球将台面吹干。

(3)、再将螺旋锥结构置于加热台的正中间，拉直后将其两端用铁片轻轻地压住固定。为了使温度测试更加准确，在螺旋锥结构的上方罩一个长＝8cm、宽＝6cm、高＝2cm的纸盒，避免加热台与外界空气的对流，使温度更加稳定。

(4)、最后打开加热台的电源，从室温开始测试，测试时需在每个设置的温度点恒温10分钟以使温度恒定。然后温度每次增加10℃，直至升高到100℃结束实验。

图6是对螺旋锥进行温度测试时，在不同温度下透射波长的变化结果。随着温度从室温逐渐升高到100℃，透射波长的变化比较小，两点间最大的波长波动为0.72nm，该波长波动几乎可以忽略不计，所以我们可以认为该螺旋锥对温度几乎不敏感。

Claims (5)

1.一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)、光纤的预处理：

首先，取一段30cm-60cm长的光纤，用光纤钳在中间部位剥去2cm-4cm的涂覆层，然后用酒精棉沿着光纤轴向的同一方向将剥去涂覆层部分的光纤擦拭干净；

(2)、样品放置：

将步骤(1)中处理好的光纤平直地放置在保偏熔接机的V形槽里，调整光纤的放置位置，使熔接机的放电电极正对着剥去涂覆层光纤的中间部位，然后用两端的光纤夹具将其固定，使光纤处于自然平直状态；

(3)、拉锥时放电时间和放电电流设置：

光纤样品放置好之后，设置熔接机的拉锥的放电时间和放电电流，分为三个阶段：第一阶段放电时间为7-10s，放电电流为12-16mA；第二阶段放电时间为6-8s，放电电流为10-12mA；第三阶段放电时间为1-3s，放电电流为5-8mA；

(4)、利用一边拉锥、一边扭转的方法制备螺旋锥：

步骤(3)设置完成之后，熔接机开始放电拉锥；放电时，电极放电区域温度为2000℃，使电极正对着的光纤呈熔融态，进而对其拉锥；当拉锥过程进行到第二阶段时，手动将熔接机右端的光纤夹具旋转180°-720°，使得光纤的熔融拉锥区域发生扭转，最终放电完成时制备出螺旋锥的结构。

2.如权利要求1所述的一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所用的光纤为单模光纤或熊猫保偏光纤。

3.如权利要求2所述的一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法，其特征在于，所述的单模光纤的纤芯直径为8μm-9μm，包层直径为125μm，涂覆层直径为250μm。

4.如权利要求2所述的一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法，其特征在于，所述的熊猫保偏光纤的纤芯直径为9μm-10μm，应力区直径为33μm，纤芯与应力区之间的距离为6μm，包层直径为125μm，涂覆层直径为250μm。

5.如权利要求1所述的一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所制备的螺旋锥结构，其锥腰直径为30μm-60μm，锥长为600μm-1000μm。