CN110514233B - 一种空腔悬浮通道型光纤线上马赫-曾德干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空腔悬浮通道型光纤线上马赫‑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两端单模光纤端面刻写微环并使其熔融对接构成。其特征是：飞秒激光刻写微环结构，熔接放电产生的高温使环形结构内的空气膨胀，进而挤压纤芯形成空腔内悬浮通道。由于通道尺寸极细约3μm，一部分光沿通道传输，一部分从空气腔中传输，最后两束光耦合回单模纤芯。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或者强度漂移量，可计算出被测环境参数。本发明具有装置坚固、制备简单等特点，可用于温度、应变、气压、湿度、折射率测量。
Description
技术领域
本发明提供了一种空腔悬浮通道型光纤线上马赫-曾德干涉仪，属于光纤传感技术。
背景技术
光纤传感器相对于传统传感器来说，其具有极高的灵敏度和分辨率，频带范围很宽，动态范围很大，不受电磁场干扰等优点，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。传感器的发展趋势是灵敏、精确、适用性强、小巧和智能化。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、建筑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，如基于内部具有空腔的微锥形光纤，错位熔接的光纤，光纤光栅和特种光纤等。以上所述均有很大不足，内置气腔设备很脆弱，坚固性差；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；光纤光栅写入过程复杂，成本较高，且其结构的不稳定性在一定程度上限制了其应用；特殊光纤价格昂贵。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，我们需要采用新的技术来制作光纤传感器件。
光纤线上干涉仪是一种具有高灵敏度的有吸引力的微型和多功能光纤传感设备，已经开发了各种类型的光纤在线干涉仪配置，例如法布里-珀罗干涉仪(FPI)，迈克尔逊干涉仪(MI)和马赫-曾德干涉仪(MZI)。MZI制造相对容易，结构灵活，灵敏度极高。光纤在线MZI主要通过使用LPFG对、光纤锥形、不匹配的纤芯和由SMF和空心纤维组成的夹层结构构成。在这种配置中，光纤芯模和包层模产生干涉，沿着几乎相同的路径长度传播。由于光纤芯模和包层模之间的折射率(RI)差异很小，干涉仪的尺寸相当大，特别是当需要小的自由光谱范围(FSR)来提高器件灵敏度时。在保持其高灵敏度的同时实现紧凑装置尺寸的有效方式是利用基于开放空气腔的MZI，这是由于纤维芯和空气之间的大的RI差异。但是因为通过激光微机械加工去除了部分纤维材料，这种类型的MZI装置的难度是坚固性差。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供一种空腔悬浮通道型光纤线上马赫-曾德干涉仪，装置坚固、制备简单、成本低、体积小的特点，可应用于温度、应变、气压、湿度、折射率的测量。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：一种空腔悬浮通道型光纤线上马赫-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：飞秒激光刻写微环结构，两个微环结构熔融对接，熔接放电产生的高温使环形结构内的空气膨胀，进而挤压纤芯形成空腔内悬浮通道。
由于通道尺寸极细，其剩余尺寸为3μm远小于原单模光纤纤芯直径9μm，因此一部分光沿通道传输，一部分从空气腔中传输，最后两束光耦合回单模纤芯，以形成马赫-曾德干涉仪所需要的传输谱。
所述(单模)光纤其纤芯直径和光纤直径分别为9μm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，具有制作简单，成本低的优点。
2、传感头对于温度、应力、折射率、气压、湿度都具有不同的敏感性，可以用于对环境参数的同时测量。
3、传感头比较坚固，熔接后保持了光纤表面的光滑性和均匀性，具有很好的对称性。
4、传感头的制作易于控制，可以通过控制飞秒刻写环状结构的半径和深度以及熔接机熔接的电量和时间来控制空腔和内部通道的尺寸，进而可以控制传感头自由光谱范围(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为本发明在单模光纤表面飞秒刻写部分结构示意图。
图3为本发明最终结构完整示意图。
图中,1.宽带光源，2.传感头，3.光谱分析仪，4.单模光纤，4(a).单模光纤纤芯，4(b).单模光纤包层，5.环形凹槽，6.单模光纤，6(a).单模光纤纤芯，6(b).单模光纤包层，7.空气腔，8.空气腔内微通道。
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在飞秒加工制备过程中的结构示意图，具体为在切平的单模光纤端面上，距纤芯15μm处刻写宽度3μm深度6μm的环形凹槽。该结构由单模光纤4包括单模光纤包层4(b)和单模光纤纤芯4(a)、环形凹槽5构成。
图3所示为本发明传感头2的最终结构示意图，该结构为熔接机熔接后成型的最终结构，由单模光纤6包括单模光纤包层6(b)和单模光纤纤芯6(a)、空气腔结构7、腔内微通道结构8组成
所述传感头2的制作方法及步骤是：第一步：将切平的单模光纤放置于飞秒加工平台上，找到光纤中点确定焦平面；第二步，以光纤中点为圆心刻写环形结构，该圆环结构宽度3μm，深度3μm，得到图2所示结构；第三步，超声波清洗图2环形结构使其内部无残渣；第四步：将两个相同的图2该结构熔接。
结合图1，2，3，介绍具体的工作原理：传感头2由飞秒刻写与熔融相结合形成的空腔悬浮通道结构，传感头2接收来自宽带光源1发出的光束，此光束一部分由微通道引导进入纤芯，另一部分从空气腔中传播进入纤芯，以形成马赫-曾德干涉仪的输出光谱。
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 (2)
1.一种空腔悬浮通道型光纤线上马赫-曾德干涉仪，其特征在于：包括宽带光源，传感头，光谱分析仪，其中，传感头一端与宽带光源连接，另一端和光谱分析仪相连接；所述传感头包括两根单模光纤，在两根单模光纤端面上分别通过飞秒激光在距纤芯15μm处刻写宽度3μm深度6μm的微环结构；两个微环结构熔融对接，熔接放电产生的高温使环形结构内的空气膨胀，进而挤压纤芯形成空腔内悬浮通道，由于通道尺寸极细，一部分光沿通道传输，一部分从空气腔中传输，最后两束光耦合回单模纤芯。
2.根据权利要求1所述一种空腔悬浮通道型光纤线上马赫-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；纤芯折射率为1.4682；空腔长度与悬浮通道长度一致约为50μm；空腔内悬浮通道直径约3μm。
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