CN113624362B - 一种基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器，包括：套管、碳化硅微结构及蓝宝石光纤；套管固定套设在蓝宝石光纤外部，两端分别与碳化硅微结构及蓝宝石光纤固定连接；碳化硅微结构具有相对设置的第一端面和第二端面，第一端面与蓝宝石光纤的输出端面连接，并覆盖整个蓝宝石光纤的输出端面；蓝宝石光纤的输入端面与多模光纤连接；多模光纤输出的光经蓝宝石光纤后射入碳化硅微结构；第一端面对射入的光进行反射，得到第一反射光；第二端面对射入的光进行反射，得到第二反射光；两种反射光在蓝宝石光纤中发生干涉后返回多模光纤。本发明采用具有高热导率的碳化硅作为光纤法布里珀罗腔，提高了高温环境下温度测量的响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器。
背景技术
光纤高温传感器一直是人们研究的热点，由于石英光纤为非晶体，因此不适用于1000℃以上的高温传感。目前主要的光纤高温传感解决方案是利用蓝宝石光纤与蓝宝石晶片，构成以空气腔或蓝宝石膜片腔作为光纤法布里珀罗干涉腔的高温传感器，利用蓝宝石材料的高熔点特性实现光纤高温传感。然而，在该类型传感器的研制中，往往忽略了温度响应速度这一重要参数，以空气腔或蓝宝石腔的温度传感器受材料限制，其响应速度较慢，其中蓝宝石腔的热扩散系数约为69(mm)2/s，无法满足快速温度测量的需求。此外，蓝宝石材料的熔点为2050℃，因此该类型传感器也无法实现2500℃以上的高温传感，限制了其在航空航天领域的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于碳化硅微腔的光纤法布里珀干涉高温传感器，响应速度快。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器，所述传感器包括：套管、碳化硅微结构及蓝宝石光纤；
所述套管，固定套设在所述蓝宝石光纤外部，两端分别与碳化硅微结构及蓝宝石光纤固定连接；
所述碳化硅微结构，具有相对设置的第一端面和第二端面；
所述第一端面，与所述蓝宝石光纤的输出端面连接，并覆盖整个所述蓝宝石光纤的输出端面；
所述蓝宝石光纤的输入端面与多模光纤连接；
所述多模光纤输出的光经所述蓝宝石光纤后射入所述碳化硅微结构；所述第一端面对射入的光进行反射，得到第一反射光；所述第二端面对射入的光进行反射，得到第二反射光；所述第一反射光和所述第二反射光在所述蓝宝石光纤中发生干涉后返回所述多模光纤。
可选地，所述第一端面和所述第二端面互相平行。
可选地，所述第一端面和所述第二端面均光滑、平整。
可选地，所述蓝宝石光纤与所述套管的内壁紧密贴合。
可选地，所述套管为陶瓷套管。
可选地，所述碳化硅微结构与所述套管的一端通过高温胶固定连接。
可选地，所述蓝宝石光纤与所述套管的一端通过高温胶固定连接。
可选地，所述蓝宝石光纤的两端面均为光滑平面。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器，包括：套管、碳化硅微结构及蓝宝石光纤；套管固定套设在所述蓝宝石光纤外部，且两端分别与碳化硅微结构及蓝宝石光纤固定连接；碳化硅微结构具有相对设置的第一端面和第二端面，其中，第一端面与蓝宝石光纤的输出端面连接，并覆盖整个蓝宝石光纤的输出端面；蓝宝石光纤的输入端面与多模光纤连接；多模光纤输出的光经蓝宝石光纤后射入碳化硅微结构；第一端面对射入的光进行反射，得到第一反射光；第二端面对射入的光进行反射，得到第二反射光；第一反射光和第二反射光在蓝宝石光纤中发生干涉后返回多模光纤。本发明采用具有较高热导率的碳化硅材料作为光纤法布里珀罗腔，提高了高温环境下的温度传感测量的响应速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器的结构示意图；
图2为本发明基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器的干涉原理示意图。
符号说明：
套管-1，碳化硅微结构-2，第一端面-21，第二端面-22；蓝宝石光纤-3，输入端面-31，输出端面-32；多模光纤-4，高温胶-5。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种响应速度快的基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器。
本发明采用碳化硅微结构作为法布里珀罗干涉腔进行高温环境下的温度传感测量，在灵敏度、分辨率和响应速度等方面有很大优势。碳化硅材料相对蓝宝石材料(三氧化二铝)具有较高的热导率，约为250w/(m·k)，是蓝宝石材料热导率的5倍以上，因此碳化硅微结构光纤法布里珀罗干涉高温传感器相较于蓝宝石光纤法布里珀罗干涉温度传感器具有更快的响应速度。碳化硅熔点2800℃，高于蓝宝石材料，在2500℃以上的高温传感方面具有巨大优势。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器，包括：套管1、碳化硅微结构2及蓝宝石光纤3。
所述套管1，固定套设在所述蓝宝石光纤3外部，两端分别与碳化硅微结构2及蓝宝石光纤3固定连接。
所述碳化硅微结构2，具有相对设置的第一端面21和第二端面22。
所述第一端面21，与所述蓝宝石光纤的输出端面32连接，并覆盖整个所述蓝宝石光纤3的输出端面32。
所述蓝宝石光纤的输入端面31与多模光纤4连接。
所述多模光纤4输出的光经所述蓝宝石光纤3后射入所述碳化硅微结构2；所述第一端面21对射入的光进行反射，得到第一反射光；所述第二端面22对射入的光进行反射，得到第二反射光；所述第一反射光和所述第二反射光在所述蓝宝石光纤3中发生干涉后返回所述多模光纤4。
进一步地，所述第一端面21和所述第二端面22互相平行。具体来说，第一端面21和第二端面22互相平行是为了尽可能地使得第一反射光和第二反射光的方向保持平行，从而获得高质量的干涉信号。
更进一步地，所述第一端面21和所述第二端面22均光滑、平整。光滑、平整的端面会提高光信号的反射率，使得第一反射光和第二反射光尽可能多的的被反射回蓝宝石光纤中，最终在光谱仪上获得高质量的干涉光谱。
优选地，所述蓝宝石光纤3与所述套管1的内壁紧密贴合。所述套管1可为蓝宝石光纤3与碳化硅微结构2提供保护和固定作用，以使蓝宝石光纤3与碳化硅微结构2能够紧密地连接。
进一步地，在本发明的具体实施例中，所述套管1为陶瓷套管。陶瓷能够在2500℃以上的高温条件下工作。
具体地，如图1所示，所述碳化硅微结构2与所述套管1的一端通过高温胶5固定连接。
进一步地，所述蓝宝石光纤3与所述套管1的一端通过高温胶5固定连接。
更进一步地，所述蓝宝石光纤3的两端面均为光滑平面，以保证蓝宝石光纤3的输出端面32与碳化硅微结构的第一端面21紧密贴合，以及蓝宝石光纤3的输入端面31与多模光纤4的端面紧密贴合。
进一步地，在本发明的具体实施例中，基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器通过反射式结构进行传感。蓝宝石光纤3的输出端面32与碳化硅微结构2以粘接的方法进行连接；碳化硅微结构2呈圆柱体，第一端面21和第二端面22均光滑平整，作为传感反射面。圆柱体的底面直径大于10μm，圆柱厚度1-500μm，作为法布里珀罗腔。蓝宝石光纤3的输入端面31与多模光纤采用熔接方法进行连接。
本发明的制作方法如下：
取一段长15-30cm的蓝宝石光纤，利用研磨机将蓝宝石光纤3两端面磨平，并抛光。
采用显微镜和镊子将碳化硅微结构安装于陶瓷套管的端面，并使用高温胶将其固定。
利用显微镜和镊子将碳化硅微结构安装于陶瓷管的端面，并使用高温胶将其固定，采用100℃固化30分钟对高温胶固化。
将蓝宝石光纤3插入所述陶瓷套管中，并与碳化硅微结构2紧密连接，利用高温胶5固定蓝宝石光纤3，采用100℃固化30分钟对高温胶固化。
将所述蓝宝石光纤3的另一侧与多模光纤4熔接，便于传感结构连接光谱仪和光源。
关于碳化硅透光性以及光源的选择：
碳化硅(SiC)根据晶体结构不同，主要可分为4H-SiC和6H-SiC两种类型，其中：
本征型4H-SiC在可见光波段和红外光波段透光性良好，系统可选择波段为400nm-900nm或1000nm-3000nm的光源。
掺氮4H-SiC在可见光波段有明显吸收带，且在近红外光波段光透射率很低，掺氮4H-SiC不可以用于碳化硅高温传感器中。
本征型6H-SiC在可见光波段和红外光波段透光性良好，系统可选择波段为400nm-900nm或1000nm-3000nm的光源。
掺氮6H-SiC在可见光波段有明显吸收带，且在近红外光波段光透射率很低，掺氮6H-SiC不可以用于碳化硅高温传感器中。
本发明工作原理：
本发明利用光纤耦合器传输传感信号，光纤宽带光源或光纤激光器发出的光经光纤耦合器分光后，先进入与传感器相连的多模光纤中，再进入碳化硅微结构光纤法布里珀罗干涉高温传感器，光进入传感器后，一部分光在碳化硅第一端面发生反射，形成第一反射光；另一部分光透过碳化硅第一端面，进入由碳化硅实心圆柱构成的碳化硅微腔中，在碳化硅第二表面发生反射；在反射过程中两部分光发生干涉，干涉后的光信号再次经过光纤耦合器后进入光纤光谱仪进行信号解调。将多模光纤与光源、光谱仪通过光纤跳线相连，光源为整个传感系统提供光信号，光谱仪可以查看传感结构的反射光谱。由于蓝宝石光纤的传输损耗太大，因此选择多模光纤与传感器相连，便于传感器接入光谱仪和光源。
具体来说，在该传感器中，碳化硅微结构作为FP腔的主体，反射面由空气-碳化硅微结构界面和光纤-碳化硅微结构界面构成，单模光纤(蓝宝石光纤)起到传导入射信号光和反射干涉光的作用。传感器的干涉原理如图2所示，当信号光(Optical Signal)由单模光纤传输到第一个反射面(Reflector 1)时发生反射，一部分光由于菲涅尔反射形成反向光信号，一部分光进入碳化硅微结构，在到达第二个反射面(Reflector 2)时发生反射，经由碳化硅微结构FP腔耦合回光纤，多束反射光由于满足相干条件而发生干涉。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器，其特征在于，所述传感器包括：高温胶、套管、碳化硅微结构及蓝宝石光纤；
所述套管，固定套设在所述蓝宝石光纤外部，两端分别与碳化硅微结构及蓝宝石光纤固定连接，用于为所述蓝宝石光纤与碳化硅微结构提供保护和固定作用，以使蓝宝石光纤与碳化硅微结构能够紧密地连接；
所述高温胶，用于分别固定所述套管与所述碳化硅微结构和所述蓝宝石光纤的连接；
所述碳化硅微结构，具有相对设置的第一端面和第二端面；
所述第一端面，与所述蓝宝石光纤的输出端面连接，并覆盖整个所述蓝宝石光纤的输出端面；
所述蓝宝石光纤的输入端面与多模光纤连接；
所述多模光纤输出的光经所述蓝宝石光纤后射入所述碳化硅微结构；所述第一端面对射入的光进行反射，得到第一反射光；所述第二端面对射入的光进行反射，得到第二反射光；所述第一反射光和所述第二反射光在所述蓝宝石光纤中发生干涉后返回所述多模光纤。
2.根据权利要求1所述的基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器，其特征在于，所述第一端面和所述第二端面互相平行。
3.根据权利要求2所述的基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器，其特征在于，所述第一端面和所述第二端面均光滑、平整。
4.根据权利要求1所述的基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器，其特征在于，所述蓝宝石光纤与所述套管的内壁紧密贴合。
5.根据权利要求1所述的基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器，其特征在于，所述套管为陶瓷套管。
6.根据权利要求1所述的基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器，其特征在于，所述蓝宝石光纤的两端面均为光滑平面。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |