CN112665752B - 一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，单模光纤端部聚合物微帽体中形成空化气泡，高效构建气体‑聚合物连级微腔结构，从而实现传感结构体积小巧，便于集成和深入狭小区域进行测量；在温度探测中，传感结构光谱具有明显的主峰，波长解调范围显著增加，并且在实际应用中便于特征峰的识别和解调。本发明还提出上述基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的制备方法。

Description

一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头及其制备方法

技术领域

本发明涉及基于聚合物微帽的光纤温度传感探头技术领域，尤其涉及一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头及其制备方法。

背景技术

光纤温度传感器在工业、环境监测和生物工程等领域的应用中广受好评并成为不可或缺的温度探测感知工具。其中，基于法布里-泊罗干涉仪的光纤传感器由于其体积小、易于集成和灵敏度高等优点受到广泛关注。但是基于单个法布里泊罗干涉仪传感结构的光谱显示出周期性的干涉图样。因此，光谱偏移的波长值需要小于自由光谱范围以避免相邻干涉峰之间的混淆，这限制了传感器的波长解调范围。

通过引入级联法布里泊罗干涉腔，能够产生具有明显主峰的干涉光谱，以提高传感器的波长解调范围，例如专利CN 209945376 U中，在单模光纤内利用飞秒激光诱导纤芯折射率变化制备出基于级联法布里-珀罗干涉仪的光纤传感器，该传感器的光谱具有明显的干涉主峰，波长解调范围增加到50nm。但是由于飞秒激光加工区的折射率变化很小，因而产生的反射面反射率较低，这使得传感器的光谱质量较差，进而影响传感器的性能。除此之外，整个传感结构都是全光纤结构，光纤的热膨胀系数较低，限制了传感器的温度探测灵敏度。

近些年来，将聚合物材料引入到光纤结构，能够有效提高光纤传感器的温度探测灵敏度，例如专利CN 109655176 A。目前构建基于聚合物级联腔结构的光纤传感器一般采用填充液体法。填充液体法是将液体通过毛吸或者加压填充到光子晶体光纤或空心光纤中，但是这种制备方法都不能精确控制腔长，制备耗时，重复性差，且制备出的光纤探头尺寸较大。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头及其制备方法。

本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，包括：单模光纤、聚合物微帽体；

单模光纤内部设有纤芯，聚合物微帽体位于单模光纤一端，聚合物微帽体靠近单模光纤一端设有与纤芯对应的空化气泡。

优选地，聚合物微帽体围绕纤芯中轴线旋转对称。

优选地，聚合物微帽体具有半球形结构。

优选地，聚合物微帽体外壁与单模光纤外壁平滑过渡。

优选地，单模光纤外径为125-140μm，聚合物微帽体的高度为50-80μm，空化气泡的直径为18-25μm。

本发明中，所提出的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，单模光纤端部聚合物微帽体中形成空化气泡，高效构建气体-聚合物连级微腔结构，从而实现传感结构体积小巧，便于集成和深入狭小区域进行测量；在温度探测中，传感结构光谱具有明显的主峰，波长解调范围显著增加，并且在实际应用中便于特征峰的识别和解调。

本发明还提出一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的制备方法，包括下列步骤：

在基底表面滴紫外固化胶，将单模光纤一端插入到聚合物液滴中，并向远离聚合物液滴的方向提拉，沿单模光纤端面形成聚合物凸起；

通过脉冲激光诱导聚合物凸起产生空化气泡，同时通过紫外激光照射聚合物凸起固化形成聚合物微帽体。

优选地，单模光纤竖直向下，使其下端插入到聚合物液滴中，并向上提拉。

优选地，所述紫外固化胶的型号所述紫外固化胶的型号为诺兰公司生产的Norland Optical Adhesive NOA63。

优选地，通过调节脉冲激光的功率调节所述空化气泡的直径。

优选地，通过飞秒激光器产生脉冲激光，通过显微镜将所述飞秒激光器产生的脉冲激光聚焦到所述聚合物凸起，通过快门控制脉冲激光的曝光时间，通过衰减片调节脉冲激光功率。

本发明中，所提出的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的制备方法，利用脉冲激光在光纤端面聚合物微帽中制备出空化气泡，高效构建气体-聚合物连级微腔结构，本发明的制备方法重复性好，参数精确可控，适用于大批量生产。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的结构示意图。

图2为实现本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的制备方法的制备装置。

图3为本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的光谱图。

图4为本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的温度灵敏度测试曲线。

图5为本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的温度变化与波长的线性关系曲线。

具体实施方式

如图1至5所示，图1为本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的结构示意图，图2为实现本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的制备方法的制备装置，图3为本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的光谱图，图4为本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的温度灵敏度测试曲线，图5为本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的温度变化与波长的线性关系曲线。

参照图1，本发明提出的一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，包括：单模光纤1、聚合物微帽体2；

单模光纤1内部设有纤芯1a，聚合物微帽体2位于单模光纤1一端，聚合物微帽体2靠近单模光纤1一端设有与纤芯1a对应的空化气泡3。

本实施例的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的具体工作过程中，传感探头应用于温度测量时，传感探头通过环形器与宽带光源和光谱仪相连。当单模光纤出射的光到达纤芯与空化气泡之间的界面4时，由于界面4两侧的介质具有不同的折射率，一部分光反射回来并耦合入纤芯，另一部分光透射继续向前传播，当到达空化气泡与聚合物之间的界面5发生反射，该反射光与在纤芯与空化气泡界面4反射的光干涉；同时，在聚合物微帽体远离单模光纤一端弧面2a反射的光与在空化气泡与聚合物的界面5反射的光干涉重新耦合到纤芯中，从而在光谱仪上可以观察到两种法布里泊罗干涉谱叠加的图样。由于干涉条纹的叠加，法布里泊罗周期性干涉图样变为具有显著的干涉主峰的干涉图样，在较大的波长范围内该干涉主峰都具有高度识别性，针对干涉主峰中心进行追踪和波长监测，能够有效增加该传感器的波长解调范围。两个法布里泊罗干涉腔的长度匹配，影响着干涉谱中主峰的强度，进而影响传感器的波长解调范围。

在本实施例中，所提出的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，单模光纤端部聚合物微帽体中形成空化气泡，高效构建气体-聚合物连级微腔结构，从而实现传感结构体积小巧，便于集成和深入狭小区域进行测量；在温度探测中，传感结构光谱具有明显的主峰，波长解调范围显著增加，并且在实际应用中便于特征峰的识别和解调。

在聚合物微帽体的具体实施方式中，聚合物微帽体2围绕纤芯1a中轴线旋转对称，进一步地，聚合物微帽体2具有半球形结构，更进一步地，聚合物微帽体2外壁与单模光纤1外壁平滑过渡。

本实施例还提出一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的制备方法，包括下列步骤：

在基底表面滴紫外固化胶，将单模光纤1一端插入到聚合物液滴中，并向远离聚合物液滴的方向提拉，沿单模光纤1端面形成聚合物凸起；

通过脉冲激光诱导聚合物凸起产生空化气泡3，同时通过紫外激光照射聚合物凸起固化形成聚合物微帽体2。

在具体实施方式中，单模光纤1竖直向下，使其下端插入到聚合物液滴中，并向上提拉。

为了详细说明本实施例的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的制备方法，参照图2，本实施例还提出一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的制备装置，其包括飞秒激光器10、快门12、衰减片13、显微镜11、光纤夹具14和紫外激光器15构成。

在本实施例的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头具体制备过程中，包括下列步骤：

取一片干净的载玻片，在载玻片中心滴上一滴紫外固化胶，取一段一端切平的单模光纤，将单模光纤插入到聚合物液滴中，并向上提拉，少量聚合物粘在光纤端面上形成半球状聚合物凸起；

然后，将带有聚合物凸起的单模光纤由光纤夹具垂直固定，将飞秒激光器产生的脉冲激光通过快门、衰减片、显微镜聚焦到聚合物凸起底部，激光诱导产生空化气泡，同时开启紫外激光器照射聚合物结构一段时间，使整个结构固化，从而在单模光纤一端形成带有空化气泡的聚合物微帽体结构。

在实际参数选择中，所述紫外固化胶的型号为所述紫外固化胶的型号为诺兰公司生产的Norland Optical Adhesive NOA63；衰减片13将飞秒激光器的出射激光功率衰减为0.7-1.2mw，通过改变飞秒激光功率可以改变产生的气泡直径；快门控制飞秒激光曝光时间为0.1S，紫外激光器的出射激光波长为405nm，强度为9000mw/cm2，照射时间为3-5分钟。

在空化气泡的具体形成过程中，通过调节脉冲激光的功率调节所述空化气泡3的直径，此外，通过飞秒激光器10产生脉冲激光，通过显微镜11将所述飞秒激光器10产生的脉冲激光聚焦到所述聚合物凸起，通过快门12控制脉冲激光的曝光时间，通过衰减片13调节脉冲激光功率；通过调节飞秒激光功率和曝光时间控制空化气泡尺寸，从而实现两个法布里泊罗干涉腔的长度匹配，保证传感器的波长解调范围的一致性。

由于聚合物是液体材料，很难在端面形成太高的聚合物微帽。聚合物微帽体2的直径应与单模光纤1直径尺寸相当为125-140μm。同时，聚合物微帽体2的高度太低不能形成聚合物微腔。因此，聚合物微帽体2的高度为50-80μm，聚合物内空化气泡是由飞秒激光诱导聚合物材料产生空化现象产生的。此外，为了使传感器光谱中存在明显的干涉主峰，空化气泡的直径为18-25μm。

本实施例中，所提出的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的制备方法，利用脉冲激光在光纤端面聚合物微帽中制备出空化气泡，高效构建气体-聚合物连级微腔结构，本发明的制备方法重复性好，参数精确可控，适用于大批量生产。

图3所示为本实施例的传感探头的光谱图，其干涉谱具有显著的干涉主峰，干涉主峰强度高达20dB，说明本实施例的传感探头便于传感过程中特征峰的追踪和波长监测。

为了说明本实施例的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的性能，对其进行了温度灵敏度测试，其测试结果如图。其中，图4给出了该传感探头对应的温度灵敏度测试曲线，各曲线对应-10℃-70℃间隔为10℃的各温度下的干涉光谱。为了更好的追踪光谱移动与温度的关系，选择箭头标记的干涉谷作为目标干涉谷。可以看出目标干涉谷随温度增加而发生红移，并且目标干涉谷在1475nm到1525nm的波长范围内总是可以明显的分辨出来，因此波长解调范围增加到50nm。图5给出了该传感探头温度变化与波长的线性关系，由此可知，该传感器对于温度的灵敏度高达269pm/℃。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，其特征在于，包括：单模光纤（1）、聚合物微帽体（2）；

单模光纤（1）内部设有纤芯（1a），聚合物微帽体（2）位于单模光纤（1）一端，聚合物微帽体（2）靠近单模光纤（1）一端设有与纤芯（1a）对应的空化气泡（3）；

基于聚合物微帽的光纤温度传感探头的制备方法，包括下列步骤：

在基底表面滴聚合物液滴，取一段一端切平的单模光纤（1），将单模光纤（1）一端插入到聚合物液滴中，并向远离聚合物液滴的方向提拉，少量聚合物粘在单模光纤（1）端面上形成半球状聚合物凸起；其中，聚合物为紫外固化胶；

将飞秒激光器产生的脉冲激光通过快门、衰减片、显微镜聚焦到聚合物凸起底部，激光诱导产生空化气泡（3），同时开启紫外激光器照射聚合物结构一段时间，使整个结构固化，从而在单模光纤（1）一端形成带有空化气泡（3）的聚合物微帽体（2）结构。

2.根据权利要求1所述的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，其特征在于，聚合物微帽体（2）围绕纤芯（1a）中轴线旋转对称。

3.根据权利要求1所述的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，其特征在于，聚合物微帽体（2）外壁与单模光纤（1）外壁平滑过渡。

4.根据权利要求1所述的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，其特征在于，单模光纤（1）外径为125-140μm，聚合物微帽体（2）的高度为50-80μm，空化气泡（3）的直径为18-25 μm。

5.根据权利要求1所述的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，其特征在于，所述紫外固化胶的型号为诺兰公司生产的Norland Optical Adhesive NOA63。

6.根据权利要求1所述的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，其特征在于，通过调节脉冲激光的功率调节所述空化气泡（3）的直径。

7.根据权利要求6所述的基于聚合物微帽的光纤温度传感探头，其特征在于，通过飞秒激光器（10）产生脉冲激光，通过显微镜（11）将所述飞秒激光器（10）产生的脉冲激光聚焦到所述聚合物凸起，通过快门（12）控制脉冲激光的曝光时间，通过衰减片（13）调节脉冲激光功率。

Images