CN112710633A - 一种制备拼接结构马赫-曾德尔折射率传感器方法 - Google Patents
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Abstract
为了实现对物体折射率的测量，本发明提出一种基于飞秒激光制作的微结构光纤马赫‑曾德尔折射率传感器。本发明采用飞秒激光和光纤熔接机制备完成，传感器由一段单模光纤和一段多模以及另一段单模光纤熔接而成，其中在多模光纤中，使用飞秒激光熔出一个小凹槽。凹槽沿着光纤长35um，深入多模式光纤芯5um，使多模光纤与外界接触，能感应外界环境折射率变化。
Description
技术领域
本发明属于光纤器件领域，特别涉及一种制备拼接结构马赫-曾德尔折射率传感器方法。
背景技术
随着现代测量技术的发展，普通的电学传感器，由于其在复杂的环境下，传感器性能较差，已经满足不了人们对于测量的要求。传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。而光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)。同时光纤中能被制成多种结构，用以适应不同的测量环境而得到大量使用和发展。
光纤马赫曾德尔传感器被广泛用于测量应变、压力、温度、加速度、折射率等。与传统的传感器相比，光纤马赫曾德尔传感器具有诸多优良特性，例如测量精度高，制作方式简单不受电磁干扰等，马赫曾德尔传统器件主要原理：由一道准直光束被第一块半镀银镜分裂成两道光束，称为“样品光束”与“参考光束”。这两道光束分别被两块镜子反射后，又通过同样的第二块半镀银镜，然后进入检测器。我们通过检测样品光束和参考光束的干涉条纹，即能得知检测信息。
在光纤内部制作马赫曾德尔结构，可以实现微型传感器。实现对外界折射率的测量，由于其加工简单，重复性高因而在工业测量中得到大规模运用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种制备拼接结构马赫-曾德尔折射率传感器方法，采用飞秒激光刻写制备，加工重复性高，微结构平面平整度良好，增加装置的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种制备拼接结构马赫-曾德尔折射率传感器方法，所述方法包括以下步骤：步骤a、将一段多模光纤两端分别熔接一段单模光纤；步骤b、打开飞秒激光，将所述飞秒激光聚焦在所述多模光纤顶部，并且沿着所述多模光纤垂直方向向下均匀刻制出一条线；步骤c、刻制完后打开遮光器，将所述飞秒激光聚焦到所述多模光纤顶部，融化所述多模光纤，均匀的沿着径向来回刻线，加工出矩形微结构。
优选的，所述飞秒激光中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs。
优选的，所述矩形微结构宽度凹槽长为35um，深入所述多模光纤纤芯5um。
一种光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器应变温度测量方法，所述方法包括以下步骤：步骤①、将光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器放置在容器中，所述容器内腔中充满溶液；步骤②、环形器三个接口依次连接宽带光源、光谱仪和所述光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器；步骤③、进行测量时，改变所述容器内腔中溶液的折射率，所述宽带光源将光通过所述环形器输送到所述光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器内，所述光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器将特定波长的光通过所述环形器反射到所述光谱仪，所述光谱仪进行分析。
优选地，经过所述光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器的光强可表示为：
其中，I表示经过马赫-曾德尔折射率传感器的光强；I纤芯表示经过马赫-曾德尔折射率传感器纤芯的传输光强；pi表示π；λ表示宽带光源的入射光波长；m为包层模阶数；
表示m阶包层模的传输光强；
表示纤芯模有效折射率；
表示m阶包层的有效折射率；L表示MZ结构的长度(拼接结构长度)。
优选的，当环境折射率发生改变时，所述m阶包层的有效折射率发生改变，相位差将会改变：
其中，Δneff表示纤芯模有效折射率与包层模有效折射率差。
优选的，所述相位差与波长漂移量和模式折射率差呈线性关系；溶液折射率的变化会引起纤芯模与包层模有效折射率差Δneff变化，导致第m阶峰值波长变化。
优选的，随着环境折射率的增加，所述光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器的透射光谱向短波方向移动，即蓝移。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用飞秒激光刻写制备，加工重复性高，微结构平面平整度良好；
2、本发明的器件结构简单，传感器性能好；
3、可针对不同的测量环境制作出不同的微结构，加工成本低，适合大规模生产和加工。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明光纤微结构马赫曾德尔折射率传感器示意图；
图2示意性示出了本发明光纤微结构马赫曾德尔折射率传感器俯视图；
图3示意性示出了本发明光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器测量方法示意图；
图4示意性示出了本发明光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器干涉谱示意图；
图5示意性示出了本发明光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器干涉谱示意图。
图中：
1、第一单模光纤 2、多模光纤
3、第二单模光纤 4、矩形微结构
5、宽带光源 6、光谱仪
7、环形器 8、容器
9、光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本文提供了一种由飞秒激光刻制而成的微结构光纤马赫-曾德尔折射率传感器的制作，采用飞秒激光和熔接机制备完成。光纤马赫-曾德尔传感器由两段单模光纤和一段多模光纤2熔接而成，其中多模光纤2中的微结构用来测量外界折射率。与现有技术相比，此方法加工简便，且加工微结构精巧，传感器性能好。
为达到上述所列目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于飞秒激光制备的光纤微结构马赫曾德尔折射率传感器结构图如图1、图2所示：该传感器由两段单模光纤，一段多模光纤2熔接而成，其中在多模光纤2中制作微结构：使用飞秒激光聚焦在多模光纤2顶部，并且沿着光纤垂直方向向下均匀刻制出一条线，刻制完后打开遮光器，将激光聚焦到光纤顶部，融化多模光纤2，均匀的沿着径向来回刻线，加工出宽度凹槽长35um，深入多模式光纤芯5um的矩形微结构4。
发明中所用的飞秒激光器由相干公司生产，中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs。
光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器9应变温度测试方法如图3所示。
光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器9放置于容器8溶液当中，通过光纤环形器7将宽带光源5、光谱仪6相连接，光谱分析设备使用了Yokogawa公司生产的光纤传感分析仪，在本实验中进行干涉谱进行测量。当外界折射率与光纤内部折射率不一致时，通过矩形微结构4的光路将会发生偏折，造成光的路程差，因而产生光的干涉现象。因此通过测量干涉谱图即可获得被测量液体折射率信息。
其中经过光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器9的光强可表示为：
其中，I表示经过马赫-曾德尔折射率传感器的光强；I纤芯表示经过马赫-曾德尔折射率传感器纤芯的传输光强；pi表示π；λ表示宽带光源的入射光波长；m为包层模阶数；
表示m阶包层模的传输光强；
表示纤芯模有效折射率；
表示m阶包层的有效折射率；L表示MZ结构的长度(拼接结构长度)。
当环境折射率发生改变时，将导致包层模有效折射率发生改变，从而引起相位差改变：
其中，Δneff表示纤芯模有效折射率与包层模有效折射率差；可以看出相位差与波长漂移量和模式折射率差呈线性关系。溶液折射率的变化会引起纤芯模与包层模有效折射率差Δneff变化，导致第m阶峰值波长变化。
随着环境折射率的增加，传感器的透射光谱向短波方向移动，即蓝移，通过比对透射谱中的干涉谷，空气光谱中位于1583.24nm既可以比对获得溶液折射率。如图4和图5表示本发明光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器干涉谱。
当外折射率从1.33到1.4之间变化时，可以发现波谷从1565-1570之间发生蓝移动。可以发现光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器9可以对溶液折射率进行良好的测量。
本发明的有益效果：本发明采用飞秒激光刻写制备，加工重复性高，微结构平面平整度良好；本发明的器件结构简单，传感器性能好；可针对不同的测量环境制作出不同的微结构，加工成本低，适合大规模生产和加工。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (8)
1.一种制备拼接结构马赫-曾德尔折射率传感器方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a、将一段多模光纤两端分别熔接一段单模光纤；
步骤b、打开飞秒激光，将所述飞秒激光聚焦在所述多模光纤顶部，并且沿着所述多模光纤垂直方向向下均匀刻制出一条线；
步骤c、刻制完后打开遮光器，将所述飞秒激光聚焦到所述多模光纤顶部，融化所述多模光纤，均匀的沿着径向来回刻线，加工出矩形微结构。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述飞秒激光中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述矩形微结构宽度凹槽长为35um，深入所述多模光纤纤芯5um。
4.一种光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器应变温度测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤①、将光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器放置在容器中，所述容器内腔中充满溶液；
步骤②、环形器三个接口依次连接宽带光源、光谱仪和所述光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器；
步骤③、进行测量时，改变所述容器内腔中溶液的折射率，所述宽带光源将光通过所述环形器输送到所述光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器内，所述光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器将特定波长的光通过所述环形器反射到所述光谱仪，所述光谱仪进行分析。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，经过所述光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器的光强可表示为：
其中，I表示经过马赫-曾德尔折射率传感器的光强；I纤芯表示经过马赫-曾德尔折射率传感器纤芯的传输光强；pi表示π；λ表示宽带光源的入射光波长；m为包层模阶数；
表示m阶包层模的传输光强；
表示纤芯模有效折射率；
表示m阶包层的有效折射率；L表示MZ结构的长度(拼接结构长度)。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，当环境折射率发生改变时，所述m阶包层的有效折射率发生改变，相位差将会改变：
其中，Δneff表示纤芯模有效折射率与包层模有效折射率差。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述相位差与波长漂移量和模式折射率差呈线性关系；溶液折射率的变化会引起纤芯模与包层模有效折射率差Δneff变化，导致第m阶峰值波长变化。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，随着环境折射率的增加，所述光纤微结构马赫-曾德尔折射率传感器的透射光谱向短波方向移动，即蓝移。
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