CN113406740A - 基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器及纤芯制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器及纤芯制备方法，使用一种单模无截光纤，纤芯掺锗，其包层具有六边形排列的柚子型空气孔组成的特殊结构；将微量进样器与光纤连接，用AB胶固定。光纤插入氢氟酸中，抽出进样器筒，氢氟酸进入光纤空气孔中，经过氢氟酸腐蚀，形成光纤内悬芯结构，通过控制进样器抽出的长度，控制氢氟酸溶液进入光子晶体光纤的深度，从而控制腐蚀后悬芯长度。本发明具有结构简单、体积小、传感性能好、悬芯长度可控等优势。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器及纤芯制备方法。
背景技术
当光波信号在光纤中传输时，因外界环境如温度、压力、电场等所引起的微小变化，会改变强度、相位、频率等光波信号特征参量，对某一种特征参量进行测量即可推知外界物理量变化的大小，这就是光纤传感技术。光纤传感器能够在高温、高压等恶劣环境中正常使用，同时具有体积小、质量轻、防腐蚀、灵敏度高等优点。根据光纤传感器的工作原理，可以将其分为光纤干涉仪、光纤光栅、光时域反射仪等类型。以上类型光纤传感器大多需要与机械结构配合使用，通过组合式的结构将待测信号放大传递给光纤，这种类型的传感器不仅制作工艺复杂，而且无法实现在微小空间中嵌入式传感。微纳光纤具有结构简单、体积小、传感性能优异等优势，在光传感、激光器等领域得到广泛应用。微纳光纤的直径通常接近或小于传输光的波长，具有光场约束强、倏逝场比例大、弯曲损耗小等新颖的光学传输特性，微纳光纤传感器不仅继承了光纤传感器的优点，而且在研制具有更高灵敏度、更快响应时间、更小器件尺寸、更低功耗的光学传感器时展示了巨大的优势和潜力。光纤中的微结构根据结构本身性质主要可分为结构变形型、折射率调制型和材料去除型。材料去除型主要利用机械磨抛、化学腐蚀和激光烧蚀等方法将光纤局部材料去除，其中的化学腐蚀法主要是利用氢氟酸腐蚀光纤制作微纳光纤传感器，因其操作简单，制作成本低，近年来受到广泛关注。
2014年，王若晖等人首次提出光纤内独立纤芯结构，制备该结构首先将光子晶体光纤(PCF)拼接到单模光纤(SMF)上,然后用氢氟酸刻蚀掉光子晶体光纤的空气孔包层，形成的光纤内悬浮纤芯结构同时具备法布里-珀罗干涉特性。该结构悬浮纤芯约为～2μm，长度为106μm。该结构被用于温度传感，实验测得灵敏度为14.3pm/℃。 2015年，王若晖等人又将此结构用于回音壁模式微腔的耦合，该结构利用了悬浮纤芯结构的强倏逝波特性，一方面结合了光纤内集成的优势，实现了回音壁模式微腔的光纤内集成。2018年，邵志华等人研制了基于光纤内悬浮纤芯的结构的高空间分辨率超声波传感器。该结构通过蚀刻过程减小了PCF的纤芯直径(小于10μm)获得了较高的空间分辨率和响应灵敏度，其悬芯结构长度为240.8μm。上述研究只能通过单模光纤熔接光子晶体光纤，再进行切割的方式控制光子晶体光纤的长度(即刻蚀后悬浮纤芯的长度)，但是通过毛细作用刻蚀出悬芯长度有限，最长只能到300μm左右，该长度限制了基于悬浮纤芯类型传感器的传感应用范围。因此，制备较长长度的悬浮纤芯，并且实现悬浮纤芯结构的可控，对于该结构的应用推广具有重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器及纤芯制备方法，具有结构简单，悬芯长度可控的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种光纤内长悬浮纤芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、化学腐蚀光子晶体光纤：
将光子晶体光纤与微量进样器相连，用AB胶固定接口，待AB 胶凝固，将进样器管推至底排出空气；再将光子晶体光纤浸入氢氟酸溶液中，抽出针管，由于内外压强差，氢氟酸溶液将会被吸入空气孔中对包层进行腐蚀，因光子晶体光纤多孔结构，经过一段时间的腐蚀，在光子晶体光纤端面会形成一个具有六边形结构的空气凹槽，凹槽中心有一个直径为20微米的独立纤芯；
步骤二、将包含有独立纤芯结构的光子晶体光纤未腐蚀端与普通单模光纤熔接，得到光纤内长悬浮纤芯。
所述的光子晶体光纤为一种厚壁柚子型光子晶体光纤，具有单模无截止特性，纤芯掺锗，其包层是具有六边形排列的柚子型空气孔组成的特殊结构。
所述的微量进样器，型号为上海高鸽工贸有限公司微量进样器 5ul。
所述控制进样器抽出的长度，可控制氢氟酸溶液进入光子晶体光纤的深度，从而控制腐蚀深度。
一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器，包括壳体(1)，其特征在于，长悬浮纤芯(3)腐蚀之后的光纤包层为壳体(1)，壳体(1)与长悬浮纤芯(3)之间的空腔为空气包层(2)。
所述的壳体(1)为圆柱体。
所述的长悬浮纤芯(3)截面为六边形的棱柱。
所述的长悬浮纤芯(3)腐蚀前通过飞秒激光直写的方式在光子晶体光纤纤芯刻写长度为3mm的光纤布拉格光栅(FBG)，腐蚀之后的长悬浮纤芯可以作为微型悬臂梁，独立纤芯上的FBG作为传感元件。
所述的长悬浮纤芯(3)通过控制合适长度，悬芯结构自身可构建FPI，其拥有两面，一面为光纤熔接面(4)，一面为光纤端面(5)。
所述的长悬浮纤芯(3)后接入一个反射面(6)，构成光强调制型的光纤振动传感器。
本发明的有益效果是：
这种基于独立纤芯的光纤器件制作简便，仅包含化学腐蚀和光纤熔接两个步骤，具有大规模批量生产的潜力。通过控制进样器抽出的长度，就可以控制氢氟酸溶液进入光子晶体光纤的深度，从而达到控制腐蚀深度的目的。本发明的悬浮纤芯结果长度可达厘米量级以上，其设计合理，结构简单。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例2的结构示意图。
图3是本发明实施例2的频率响应图。
图4是本发明实施例2在输入的正弦加速度为15m/s2频率为20 Hz时的输出响应图。
图5是本发明实施例1的制备工具示意图。
图6为实施例3所示光强调制型的光纤振动传感器。
其中，1为壳体；2为空气包层；3为长悬浮纤芯；4为光纤熔接面；5为光纤端面；6为反射面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步叙述，但本发明不局限于以下实施例。
实施例1
如图1中，本实施例的基于长悬浮纤芯的光纤传感器由壳体1、空气包层2、长悬浮纤芯3构成。
本实施例的壳体1整体外观形状为圆柱体，由腐蚀之后的光纤包层直接形成。光纤壳体2为壳体内空气形成的空腔。长悬浮纤芯3的整体形状是截面为六边形的棱柱，由腐蚀后悬浮的光纤纤芯形成。悬芯直径为19um，长度为3mm。本发明传感器结构一体化，腐蚀后所形成的壳体保护长悬浮纤芯不被破坏。制备方法如图5所示，进样器 1中插入光纤2，用AB胶封闭接口。
实施例2
在本实施例中，为实现基于长悬浮纤芯的光纤光栅振动传感器。以实施例1中长悬浮纤芯传感器结构为基础，设计如图2所示的微型悬臂梁微纳光纤光栅结构。在此结构中，通过飞秒激光直写的方式在光子晶体光纤纤芯刻写长度为3mm的光纤布拉格光栅(FBG)。腐蚀之后的长悬浮纤芯可以作为微型悬臂梁，独立纤芯上的FBG作为传感元件。当传感器置于振动环境时，纤芯会发生弯曲引起FBG光栅周期发生变化，从而引起布拉格波长的漂移，通过监测中心波长的漂移即可实现振动信号的传感。
实施例3
在本实施例中，基于实施例1中结构，在光纤端面加入一个反射面，构成光强调制型的光纤振动传感器，结构如图6所示。光纤端面 5与反射面4构成FP腔，实现强度检测。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用实施例2制备的基于长悬浮纤芯的光纤光栅振动传感器进行实验室研究试验，实验情况如下：
实验仪器：振动台(WS-Z30-40)；解调系统，示波器 (SDS-1100X-E)，可调谐激光器(CBDX1-1-C-HOI-FA)，光电探测器 (KG-P-200M-A-FC)。
1、频率响应实验；
将本发明和标准电荷加速度传感器(YD81D-V)采用螺杆固定在振动台上，控制输入正弦波的加速度为15m/s2不变，采用边带滤波法进行信号解调，信号频率由20Hz上升至100Hz.用示波器测得每个输入频率下对应的传感器正弦输出并计算对应振幅大小。实验结果如图3所示，20-50Hz为共振区，50Hz以后为衰减区，频率响应范围为0-50Hz。
Claims (10)
1.一种光纤内长悬浮纤芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、化学腐蚀光子晶体光纤：
将光子晶体光纤与微量进样器相连，用AB胶固定接口，待AB胶凝固，将进样器管推至底排出空气；再将光子晶体光纤浸入氢氟酸溶液中，抽出针管，由于内外压强差，氢氟酸溶液将会被吸入空气孔中对包层进行腐蚀，因光子晶体光纤多孔结构，经过一段时间的腐蚀，在光子晶体光纤端面会形成一个具有六边形结构的空气凹槽，凹槽中心有一个直径为20微米的独立纤芯；
步骤二、将包含有独立纤芯结构的光子晶体光纤未腐蚀端与普通单模光纤熔接，得到光纤内长悬浮纤芯。
2.根据权利要求1所述的一种光纤内长悬浮纤芯的制备方法，其特征在于，所述的光子晶体光纤为一种厚壁柚子型光子晶体光纤，具有单模无截止特性，纤芯掺锗，其包层是具有六边形排列的柚子型空气孔组成的特殊结构。
3.根据权利要求1所述的一种光纤内长悬浮纤芯的制备方法，其特征在于，所述的微量进样器，型号为上海高鸽工贸有限公司微量进样器5ul。
4.根据权利要求1所述的一种光纤内长悬浮纤芯的制备方法，其特征在于，所述控制进样器抽出的长度，可控制氢氟酸溶液进入光子晶体光纤的深度，从而控制腐蚀深度。
5.一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器，包括壳体（1），其特征在于，长悬浮纤芯（3）腐蚀之后的光纤包层为壳体（1），壳体（1）与长悬浮纤芯（3）之间的空腔为空气包层（2）。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器，其特征在于，所述的壳体（1）为圆柱体。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器，其特征在于，所述的长悬浮纤芯（3）截面为六边形的棱柱。
8.根据权利要求6所述的一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器，其特征在于，所述的长悬浮纤芯（3）腐蚀前通过飞秒激光直写或掩膜版法的方式在光子晶体光纤纤芯刻写长度为3 mm的光纤布拉格光栅（FBG），腐蚀之后的长悬浮纤芯可以作为微型悬臂梁，独立纤芯上的FBG作为传感元件。
9.根据权利要求6所述的一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器，其特征在于，所述的长悬浮纤芯（3）通过控制合适长度，悬芯结构自身可构建FPI，其拥有两面，一面为光纤熔接面（4），一面为光纤端面（5）。
10.根据权利要求6所述的一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器，其特征在于，所述的长悬浮纤芯（3）后接入一个反射面（6），构成光强调制型的光纤振动传感器。
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| CN114740525B (zh) * | 2022-04-08 | 2023-09-29 | 西北大学 | 一种基于双超短光纤光栅的悬芯超声传感器及其制作方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210917 |
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