CN110987228A - 由纯石英材料构成的高灵敏度光纤高温传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
由纯石英材料构成的高灵敏度光纤高温传感器及制备方法，涉及高温检测领域，包括空芯光子晶体光纤，所述空芯光子晶体光纤为纯石英材质制成；空芯光子晶体光纤的一端熔接单模光纤，空芯光子晶体光纤的另一端通过电弧放电形成气孔塌陷的微小纯石英固体尖端，所述单模光纤与空芯光子晶体光纤之间形成有熔接面，该熔接面分别与纯石英固体尖端区域的两端面形成两个共振腔，以此产生Vernier效应，所述两个共振腔的腔长差通过纯石英固体尖端的尺寸调控。具有灵敏度高、结构紧凑、制作简单、稳定性好等优点，在高温检测领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及高温检测领域，尤其涉及由纯石英材料构成的高灵敏度光纤高温传感器及制备方法。
背景技术
光纤高温传感器相比于传统的电学类产品具有独特的优势，然而传统的芯区掺杂的光纤应用于高温检测时，纤芯掺杂离子(如锗、硼、磷等)在高温下不稳定会产生扩散，改变光纤的传输特性，而由无掺杂纯石英材料制成的光子晶体光纤(PCF，photonic crystalfiber)，可以在更高的温度环境(>1000℃)下保持稳定，已被用于高温传感测量[1]。但采用单段传感光纤的干涉光谱波长检测方案灵敏度较低，而通过级联两个光谱周期接近的干涉仪可以基于Vernier效应提高传感器波长检测的灵敏度。在文献[1]中，基于简化的Vernier效应，作者通过一段空芯光纤级联一段普通单模光纤将灵敏度放大倍数提高至133.29。但由于传感结构使用了普通掺杂的单模光纤，其最大的测量温度限制在1050℃。
文献[1]P.Zhang et al.,“Simplified Hollow-Core Fiber-Based Fabry–PerotInterferometer With Modified Vernier Effect for Highly Sensitive High-Temperature Measurement,”IEEE Photonics J.,vol.7,no.1,pp.1–10,Feb.2015.
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供由纯石英材料构成的高灵敏度光纤高温传感器及制备方法，具有灵敏度高、结构紧凑、制作简单、稳定性好等优点，在高温检测领域具有广阔的应用前景。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
由纯石英材料构成的高灵敏度光纤高温传感器，包括空芯光子晶体光纤，所述空芯光子晶体光纤为纯石英材质制成；空芯光子晶体光纤的一端熔接单模光纤，空芯光子晶体光纤的另一端通过电弧放电形成气孔塌陷的微小纯石英固体尖端。
所述单模光纤与空芯光子晶体光纤之间形成有熔接面，该熔接面分别与纯石英固体尖端区域的两端面形成两个共振腔，以此产生Vernier效应，所述两个共振腔的腔长差通过纯石英固体尖端的尺寸调控。
由纯石英材料构成的高灵敏度光纤高温传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)首先去除空芯光子晶体光纤表面的涂覆层，接着切割平整的空芯光子晶体光纤放入光纤熔接机以手动模式完成与普通单模光纤引线连接，然后设定熔接机的放电持续时间和放电强度，并防止光子晶体光纤的空气孔塌陷；
2)将熔接的空芯光子晶体光纤另一端用切割刀切至合适长度，然后在切割平整的空芯光子晶体光纤尖端进行电弧放电，放电气孔塌陷后，空芯光子晶体光纤形成微小的纯石英固体尖端。
本发明步骤1)中，熔接机的放电持续时间和放电强度分别设置为0.2ms和4bit。
本发明步骤2)中，电弧放电的放电持续时间和放电强度分别设置为0.6ms和60bit。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
1、本发明是基于Vernier效应的灵敏度增强的新型本征光纤FP干涉仪高温传感器，该高温传感器基于Vernier效应的级联腔，通过对熔接单模光纤的空芯PCF尖端简单放电形成，所述高温传感器的传感探头由纯石英材料制作，可应用于1200℃的高温检测，而且利用Vernier效应，灵敏度高。
2、本发明Vernier效应的制作核心是使得两个Vernier腔的光程差越小，灵敏度放大倍数则越高；Vernier效应的级联腔结构，其光程差由光纤放电塌陷区域决定，因此通过光纤尖端简单放电就能控制得到较小的光程差，无需通过准确切割和熔接一段异种光纤来制得第二个Vernier腔以平衡与另一个Vernier腔的腔长差，因此大大减少制作的复杂性和实际应用的操作难度。相比于其他使用类似PCF光纤但没有利用Vernier效应的光纤结构，本发明制作的纯石英结构通过检测反射谱包络的移动，将灵敏度提高14～57倍，其得到的灵敏度也高于许多其他紧凑型光纤温度传感器。
3、本发明具有结构紧凑、制备方法简单、稳定性好、成本低等优点，在高温检测领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明传感器的结构示意图；
图2为本发明传感器的原理图；
图3为本发明传感器插入酒精前后反射光谱对比图；
图4为本发明传感器的干涉谱线包络拟合图；
图5为本发明传感器当温度从200℃到1200℃变化时，干涉仪包络移动反射谱图。
附图标记：单模光纤1，空芯光子晶体光纤2，纯石英固体尖端3。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本实施例包括空芯光子晶体光纤2，所述空芯光子晶体光纤为2纯石英材质制成；空芯光子晶体光纤2的一端熔接单模光纤1，空芯光子晶体光纤2的另一端通过电弧放电形成气孔塌陷的微小纯石英固体尖端3。
所述单模光纤1与空芯光子晶体光纤2之间形成有熔接面，该熔接面分别与纯石英固体尖端3区域的两端面形成两个共振腔，以此产生Vernier效应，所述两个共振腔的腔长差通过纯石英固体尖端3的尺寸调控。
本发明的制作具体步骤如下：
1、首先去除空芯光子晶体光纤表面的涂覆层并用酒精擦拭，接着切割平整的空芯光子晶体光纤放入光纤熔接机以手动模式完成与普通的单模光纤引线连接，然后将熔接机放电持续时间和放电强度分别设置为0.2ms和4bit，可一定程度上防止光子晶体光纤的空气孔塌陷。
2、将熔接的空芯光子晶体光纤另一端用切割刀切至合适长度，然后在切割平整的空芯光子晶体光纤尖端进行电弧放电(参数设置为0.6ms和60bit)，放电气孔塌陷后，空芯光子晶体光纤形成微小的纯石英固体尖端。
按照上述方法制作基于Vernier效应的高灵敏度温度传感器后，与光源和光谱仪连接就可以实现温度的检测。成品定标后，通过检测谱线包络移动，可直接读出温度值。当温度变化时，打开电源即可实时监测。
本发明的检测原理如下：
1、如图2所示，本实施例由一段空芯光子晶体光纤(HC-PCF,FP1)和放电塌陷的纯石英结构(Pure Silica，FP2)组成，即该结构由HC-PCF一端连接引线(leading SMF)，另一端简单放电制作而成。由于空气/石英衔接面的折射率失配，单模光纤与PCF的熔接点和PCF塌陷区域的两端面分别形成三个反射面分别为mirror1、mirror2、mirror3，该结构的Vernier效应由这三个面的反射光叠加干涉产生。该传感器灵敏度增强的传感原理为光程差接近的两个FP级联干涉仪叠加干涉产生Vernier效应。Vernier效应的共振腔分别为mirror1和mirror2形成的FP1腔和mirror1和mirror3形成的FP3腔。其中，由于FP1空气腔(热光系数较小)对温度响应较小，且为FP3的重叠部分，将其作为参考腔，而FP3作为传感腔。由于两个干涉腔光程接近但不相同，形成两个周期接近的干涉条纹，类似于游标卡尺的主尺和游尺的微小刻度差，通过微小差值的累积，得到一个移动量放大的效果，此为Vernier效应。
因此，两个干涉腔的微小光程差可由PCF输出尖端的简单放电形成。从而基于Vernier效应的级联共振腔可以被简单的集成为一个紧凑的传感探头用于高温检测，且大大减少制作的复杂性和实际应用的操作难度。本实施例，Vernier效应由FP1和FP3共振形成，因此FP1为两个共振腔长差，只需简单的控制放电区域长度即可控制得到小的Vernier效应共振光程差，从而得到大的灵敏度放大倍数，实现高灵敏的高温检测。
2、本实施例中制得的传感探头反射光谱图如图3所示，当传感探头插入酒精后，由于mirror3处的折射率差变小，即mirror3反射率变小，光谱仪可检测到mirror1和mirror2形成的单个空气腔叠加得到的干涉谱图。当探头暴露在空气中时，两个共振腔叠加后，形成对比度放大、高频信号强度周期性变化的干涉谱图。
3、两个共振腔得到的干涉谱中高频信号的强度受到大包络调制，通过连接不同强度的波谷即可拟合出谱线包络如图4所示，同理拟合波峰可得到上包络。纯石英区域FP2即为两个共振腔的微小光程差，由于纯石英材料本身的热膨胀和热光效应，光纤等效折射率受温度调制，其温度变化引起两个腔光程差的改变，即引起干涉谱包络的移动。因此通过监测干涉谱包络波长的移动可以有效地提高温度检测灵敏度，并且由于制作的级联腔传感区域为纯石英材料，将灵敏度提高的同时可以使传感器长期工作在高温环境并具有良好的线性度和稳定性以及更高的温度探测上限。此外，两个共振腔共振得到的低频信号具有更大的干涉条纹周期，通过检测包络信号的变化可提高温度检测范围，而包络周期反比于两共振腔得到的干涉条纹周期差值，通过减少差值还能得到周期更大的包络信号。因此本传感探头适用于大范围的高温检测。
4、本实施例中，将传感探头放入高温箱中，采用超连续激光光源作为宽带光源，用光谱分析仪记录不同温度下高温传感器的传输谱。基于Vernier效应，通过检测反射谱包络的移动，温度检测灵敏度得到大幅提高。测量结果如图5所示，干涉谱的高频信号包络随着温度的升高向长波长方向移动，当温度从200℃到1200℃变化时，实验测得灵敏度和线性度分别是15.68pm/℃和99.85％。相比于其他使用类似空芯PCF但没有利用Vernier效应的光纤结构，其灵敏度提高14～57倍。
Claims (5)
1.由纯石英材料构成的高灵敏度光纤高温传感器，其特征在于：包括空芯光子晶体光纤，所述空芯光子晶体光纤为纯石英材质制成；空芯光子晶体光纤的一端熔接单模光纤，空芯光子晶体光纤的另一端通过电弧放电形成气孔塌陷的微小纯石英固体尖端。
2.如权利要求1所述的由纯石英材料构成的高灵敏度光纤高温传感器，其特征在于：所述单模光纤与空芯光子晶体光纤之间形成有熔接面，该熔接面分别与纯石英固体尖端区域的两端面形成两个共振腔，以此产生Vernier效应，所述两个共振腔的腔长差通过纯石英固体尖端的尺寸调控。
3.权利要求1～2任一项所述的由纯石英材料构成的高灵敏度光纤高温传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)首先去除空芯光子晶体光纤表面的涂覆层，接着切割平整的空芯光子晶体光纤放入光纤熔接机以手动模式完成与普通单模光纤引线连接，然后设定熔接机的放电持续时间和放电强度，并防止光子晶体光纤的空气孔塌陷；
2)将熔接的空芯光子晶体光纤另一端用切割刀切至合适长度，然后在切割平整的空芯光子晶体光纤尖端进行电弧放电，放电气孔塌陷后，空芯光子晶体光纤形成微小的纯石英固体尖端。
4.如权利要求3所述的由纯石英材料构成的高灵敏度光纤高温传感器的制备方法，其特征在于：步骤1)中，熔接机的放电持续时间和放电强度分别设置为0.2ms和4bit。
5.如权利要求3所述的由纯石英材料构成的高灵敏度光纤高温传感器的制备方法，其特征在于：步骤2)中，电弧放电的放电持续时间和放电强度分别设置为0.6ms和60bit。
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