CN110082315A - 光子晶体光纤fp折射率-应变传感器及其制作方法 - Google Patents

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祝连庆
周康鹏
何巍
张雯
董明利
娄小平
刘锋
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Abstract

本发明公开了一种光子晶体光纤FP折射率‑应变传感器，包括光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤的纤芯上长50μm、宽80μm的矩形槽，该矩形槽贯穿光纤横截面，形成感知折射率变化的第一腔体装置；所述传感器还包括单模光纤，单模光纤与一段光子晶体光纤熔接在熔接面上单模光纤的纤芯处有一凹陷部，熔接面外部包层处成型有一圈凹陷区，形成感知应变变化第二腔体置；第一腔体和第二腔体级联形成传感器，利用该结构的反射光谱图进行折射率‑应变的传感。

Description

光子晶体光纤FP折射率-应变传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于光纤器件领域，特别是涉及光子晶体光纤FP折射率-应变传感器及其制作方法。
背景技术
光纤传感器具有诸多优良特性，可实现复杂环境下的测量工作具有非常广泛的应用价值。它具有抗电磁干扰、抗辐射、灵敏度高、重量轻、绝缘防爆、耐腐蚀等特点，且光纤尺寸微小，具有良好的光传输性能。在各种类型的光纤传感器中，目前精度最高的是干涉型光纤传感器。其中光纤FP传感器（法布里-珀罗传感器）因只用一根光纤且结构简单体积小、动态范围大，在生物医学、磁场、微机电系统中受到广泛关注。
光纤FP传感器主要包括非本征型和本征型两大类。非本征型结构的光纤FP传感器的是利用光纤和一个具有反射面结构的非光纤原件组成；本征型光纤FP结构的加工方法一般为利用在光纤上通过镀膜、改变折射率等手段形成一对高反射镜，进而成腔。
发明内容
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种光子晶体光纤FP折射率-应变传感器，包括光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤的纤芯上长50μm、宽80μm的矩形槽，该矩形槽贯穿光纤横截面，形成感知折射率变化的第一腔体装置；
所述传感器还包括单模光纤，单模光纤与一段光子晶体光纤熔接在熔接面上单模光纤的纤芯处有一凹陷部，熔接面外部包层处成型有一圈凹陷区，形成感知应变变化第二腔体置；
第一腔体和第二腔体级联形成传感器，利用该结构的反射光谱图进行折射率-应变的传感。
进一步的改进，所述传感器采用宽带光源作为光源。
一种光子晶体光纤FP折射率-应变传感器的制作方法，包括如下步骤：
步骤一）将光子晶体光纤去除涂覆层后用酒精擦拭干净，固定到三维移动平台上；将飞秒激光聚焦到纤芯上，垂直于光纤轴向，采用划线法在纤芯上制作出长50μm、宽80μm的矩形槽，该矩形槽贯穿光纤横截面；
步骤二）将单模光纤涂覆层去除，用酒精擦拭后切平，切面在40%质量分数的氢氟酸下腐蚀15分钟后对腐蚀端面进行超声清洗处理；
步骤三）将处理好的单模光纤与一端面切平的光子晶体光纤相对熔接成腔，熔接完成后，外部包层处形成一圈气体塌陷区；
步骤四）将步骤一）制成的的光子晶体光纤结构与步骤三）的光子晶体光纤部级联，利用该结构的反射光谱图进行折射率-应变的传感。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
与现有技术相比，采用本发明所提供的技术方法制作的基于飞秒激光和化学腐蚀制备的光子晶体光纤FP腔结构传感器，采用全光纤式结构，可避免电磁干扰对检测结果的影响。同时该传感器可靠性高，使用时只需将传感器所在部分置于待测环境中，另一端连接光谱仪即可完成测试系统的搭建，通过经传感器反射光谱的自由谱宽的方式同时检测应变和折射率变化，灵敏度高。
附图说明
图1为纤芯上的矩形槽图；
图2为光子晶体光纤结合化学腐蚀的FP腔加工原理图；
图3为双腔级联示意图；
图4为应变-折射率数据采集示意图
图5为光谱分析仪接收的反射光谱。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的及优点更加清晰易懂，现结合实施例对本发明做进一步解释说明，应当指出的是，在此列出的所有实施例仅仅是说明性的，并不意味着对本发明范围进行限定。
实施例1：
1. 飞秒激光制备的光子晶体光纤FP腔
一种基于飞秒激光制备的FP腔加工，光子晶体光纤去除涂覆层后用酒精擦拭干净，固定到三维移动平台上；将飞秒激光聚焦到纤芯上，垂直于光纤轴向，采用划线法在纤芯上制作出长50μm、宽80μm的矩形槽，该矩形槽贯穿光纤横截面，结构图1所示。
2.基于化学腐蚀法制备的光子晶体光纤FP腔
基于光子晶体光纤结合化学腐蚀的FP腔加工如图2所示，单模光纤涂覆层去除，用酒精擦拭后切平，在40%浓度的氢氟酸下腐蚀15分钟后对腐蚀端面进行超声清洗处理；将该腐蚀端面与另一端面切平的光子晶体光纤相对熔接成腔，完成传感器的制备。
3.双腔级联与测试
将上述两项制备的FP腔进行级联，原理图如图3所示。其中腔1用来感知折射率的变化，腔2用来感知应变变化。
光纤本发明的温度传感器检测温度系统如图4所示。光纤传感器粘贴在等强度梁，通过光纤环行器与光纤传感分析仪相连。光谱分析设备使用了Yokogawa公司生产的光谱分析仪，在本实验中进行反射光谱的采集；光纤环行器使用光纤F-P腔的反射干涉光谱传输至光纤传感分析仪。光纤传感器贴在等强度梁上，利用其改变应变大小；通过胶头滴管将待测液体滴于传感区域，进行折射率传感测试。
实验中的反射光谱如图5所示。当外界温度发生变化，反射光谱谱线会发生漂移，记录某特征峰在不同应变-折射率下对应的波长值即可实现对该双参数的高精度测量。

Claims (3)

1.一种光子晶体光纤FP折射率-应变传感器，包括光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤的纤芯上长50μm、宽80μm的矩形槽，该矩形槽贯穿光纤横截面，形成感知折射率变化的第一腔体装置；
所述传感器还包括单模光纤，单模光纤与一段光子晶体光纤熔接在熔接面上单模光纤的纤芯处有一凹陷部，熔接面外部包层处成型有一圈凹陷区，形成感知应变变化第二腔体置；
第一腔体和第二腔体级联形成传感器，利用该结构的反射光谱图进行折射率-应变的传感。
2.如其权利要求1所述的一种光子晶体光纤FP折射率-应变传感器，其特征在于，所述温度和折射率传感器采用宽带光源作为光源。
3.一种光子晶体光纤FP折射率-应变传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一）将光子晶体光纤去除涂覆层后用酒精擦拭干净，固定到三维移动平台上；将飞秒激光聚焦到纤芯上，垂直于光纤轴向，采用划线法在纤芯上制作出长50μm、宽80μm的矩形槽，该矩形槽贯穿光纤横截面；
步骤二）将单模光纤涂覆层去除，用酒精擦拭后切平，切面在40%质量分数的氢氟酸下腐蚀15分钟后对腐蚀端面进行超声清洗处理；
步骤三）将处理好的单模光纤与一端面切平的光子晶体光纤相对熔接成腔，熔接完成后，外部包层处形成一圈气体塌陷区；
步骤四）将步骤一）制成的的光子晶体光纤结构与步骤三）的光子晶体光纤部级联，利用该结构的反射光谱图进行折射率-应变的传感。
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张伟等: "《芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究》", 《物理学报》 *
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