CN116608891B - 一种光纤f-p腔传感器及其制造方法 - Google Patents

一种光纤f-p腔传感器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种光纤F‑P腔传感器及其制造方法。本申请的光纤F‑P腔传感器包括毛细玻璃管、入射光纤和反射光纤。毛细玻璃管的两端具有开口，入射光纤包括第一单模光纤和与第一单模光纤的一端连接的大芯径光纤，大芯径光纤位于毛细玻璃管内，第一单模光纤至少部分位于毛细玻璃管，第一单模光纤与毛细玻璃管的一端连接，反射光纤毛细玻璃管的另一端连接，反射光纤至少部分位于毛细玻璃管内，且反射光纤与大芯径光纤具有间距。本申请提供的光纤F‑P腔传感器及其制造方法，能够提高输出光谱的对比度以及光谱强度，改善光纤F‑P腔传感器的光学性能，优化解调系统，提高光纤F‑P腔传感器的精度、重复性等参数。

Description

一种光纤F-P腔传感器及其制造方法
技术领域
本申请属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种光纤F-P腔传感器及其制造方法。
背景技术
油气井下物理化学参数的测量是石油工业最基本和最关键的环节之一，随着石油开采的不断深入，油气井下的环境变得越来越恶劣（高温、高压和强腐蚀），导致传统电子传感器无法完成测量工作。传统电子式传感器由于在高温下存在漂移大、精度低和寿命短等问题已不能满足测试需要。光纤传感器以石英为媒介、光波作为信息载体，具有体积小、重量轻、不带电、耐高温、抗电磁干扰和易于组网等优点，特别适合石油测井领域井下参量的测量。光纤Fabry-Perot腔（简称光纤F-P腔）传感器具有制作简单、灵敏度高以及响应快等优点得到了广泛应用。为了适应油气井下的恶劣环境，目前的测量工作通常采用光纤F-P腔传感器进行，以提高测量精度。
在实际应用中，光纤F-P腔传感器对光谱的质量（如强度、对比度等）要求较高，光谱的质量会影响光纤F-P腔传感器的测量精度。测量过程中，由于光缆的连接、光路法兰连接、光缆的长距离传输、光缆弯曲以及氢损等测量环境的影响，会使得光谱的质量下降，且在测量过程中，测量环境的影响不可控。此外，在测量过程中，光在光纤F-P腔传感器的F-P腔内的传输也会存在传输损耗，导致在进行测量时，光进入到光纤F-P腔传感器，再由其输出时得到的光谱对比度较低，且光谱强度较差，从而影响后续对光谱的解调工作，进而影响光纤F-P腔传感器的测量精度。
发明内容
本申请提供了一种光纤F-P腔传感器及其制造方法，其能够减少光在光纤F-P腔内的传输损耗，提高输出光谱的对比度以及光谱强度，降低对传感器解调仪器性能参数的要求，同时提高监测系统测量精度。
为了实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种光纤F-P腔传感器，包括：
毛细玻璃管，所述毛细玻璃管的两端具有开口；
入射光纤，所述入射光纤包括第一单模光纤和与所述第一单模光纤的一端连接的大芯径光纤，所述大芯径光纤位于所述毛细玻璃管内，所述第一单模光纤至少部分位于所述毛细玻璃管，所述第一单模光纤与所述毛细玻璃管的一端连接；以及
反射光纤，所述反射光纤与所述毛细玻璃管的另一端连接，所述反射光纤至少部分位于所述毛细玻璃管内，且所述反射与所述大芯径光纤具有间距。
在一种可行的实施方式中，所述大芯径光纤为平方律折射率分布光纤。
在一种可行的实施方式中，所述平方律折射率分布光纤的长度为（k+1/4）P，其中，k为自然数，P为所述平方律折射率分布光纤的光空间周期。
在一种可行的实施方式中，沿垂直于所述毛细玻璃管轴线的方向上，所述第一单模光纤和所述大芯径光纤的第一外表面与所述毛细玻璃管的内壁面的间距为0.5微米-2.5微米；
沿垂直于所述毛细玻璃管轴线的方向上，所述反射光纤的第二外表面与所述毛细玻璃管的内壁面的间距为0.5微米-2.5微米。
在一种可行的实施方式中，所述毛细玻璃管内部的两端分别具有第一固定耦合部和第二固定耦合部，所述第一单模光纤连接于所述第一固定耦合部，所述反射光纤连接于所述第二固定耦合部。
为了实现上述目的，第二方面，本申请提供了一种光纤F-P腔传感器的制造方法，包括：
截取设定长度的第一单模光纤，将所述第一单模光纤一端的涂覆层去除，得到具有设定长度裸光纤的所述第一单模光纤；
截取设定长度的大芯径光纤，将所述大芯径光纤的涂覆层去除；
将所述第一单模光纤的具有裸光纤的一端与所述大芯径光纤进行连接，形成入射光纤；
对所述入射光纤进行检测；
响应于所述入射光纤满足检测要求，则截取设定长度的毛细玻璃管，将所述入射光纤具有所述大芯径光纤的一端插入所述毛细玻璃管内；
响应于所述第一单模光纤的裸光纤全部进入所述毛细玻璃管，则将所述第一单模光纤与所述毛细玻璃管进行固定连接；
截取设定长度的光纤，将所述光纤一端的涂覆层去除，得到具有设定长度裸光纤的所述光纤，形成反射光纤；
将所述反射光纤的具有裸光纤的一端插入所述毛细玻璃管；
响应于所述反射光纤的裸光纤全部进入所述毛细玻璃管，所述反射光纤与所述大芯径光纤具有间距，将所述反射光纤与所述毛细玻璃管进行固定连接。
在一种可行的实施方式中，所述大芯径光纤为平方律折射率分布光纤。
在一种可行的实施方式中，所述将所述第一单模光纤的具有裸光纤的一端与所述大芯径光纤进行连接，形成入射光纤包括：
将所述第一单模光纤的具有裸光纤的一端与所述大芯径光纤进行熔接；
对熔接点进行标记；
对所述大芯径光纤进行切割，形成所述入射光纤，沿所述大芯径光纤的轴线方向，切割点与所述熔接点的距离为（k+1/4）P，其中，k为自然数，P为所述平方律折射率分布光纤的光空间周期。
在一种可行的实施方式中，所述将所述第一单模光纤与所述毛细玻璃管进行固定连接的所述固定连接的方法为胶接、填料焊接以及高温烧结中的任一种。
在一种可行的实施方式中，所述将所述反射光纤的具有裸光纤的一端插入所述毛细玻璃管的方法包括：
用夹具将连接有所述入射光纤的所述毛细玻璃管进行固定；
用五维位移台将所述反射光纤进行夹持固定；
利用所述五维位移台将所述反射光纤的裸光纤自所述毛细玻璃管的另一端插入所述毛细玻璃管内。
本申请的有益效果：
本申请提供的一种光纤F-P腔传感器及其制造方法，包括毛细玻璃管、入射光纤以及反射光纤，其中入射光纤包括第一单模光纤和与第一单模光纤的一端连接的大芯径光纤，大芯径光纤位于毛细玻璃管内，第一单模光纤至少部分位于毛细玻璃管，第一单模光纤与毛细玻璃管的一端连接，反射光纤与毛细玻璃管的另一端连接，反射光纤至少部分位于毛细玻璃管内，且反射光纤与大芯径光纤具有间距，从而形成F-P腔。本申请通过将第一单模光纤和大芯径光纤连接形成入射光纤，可以利用大芯径光纤增大入射光纤的模场直径，减小光纤由入射光纤出射到反射光纤的发散角，从而能够有效提高光谱对比度，光谱对比度越大，光纤F-P腔传感器的光学性能越好，从而有利于降低噪声、优化解调系统，以使得光纤F-P腔传感器的精度、重复性等参数越高。同时光谱强度越高，抵御损耗的能力越大，光谱的信噪比越高，解调精度越高，便于后续对光谱的解调，进而提高光纤F-P腔传感器的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，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是本申请实施例提供的一种现有的光纤F-P腔传感器的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的一种现有的光纤F-P腔的理想反射光谱（无损耗）；
图3是本申请实施例提供的一种现有的光纤F-P腔的反射光谱（有损耗）；
图4是本申请实施例提供的一种具有高对比度的光纤F-P腔的反射光谱（有损耗）；
图5是一种现有的光纤F-P腔传感器中的光传输路径波动光学图；
图6是一种现有的光纤F-P腔传感器中的光传输路径几何光学图；
图7是本申请实施例提供的一种光纤F-P腔传感器的全剖示意图；
图8是本申请实施例提供的一种光纤F-P腔传感器的光传输示意图；
图9是现有的光纤F-P腔传感器与本申请提供的光纤F-P腔传感器的反射光谱对比图；
图10是本申请实施例提供的一种光纤F-P腔传感器的制造方法流程图；
图11是本申请实施例提供的一种光纤F-P腔传感器的形成入射光纤的方法流程图；
图12是本申请实施例提供的一种光纤F-P腔传感器的安装反射光纤的方法流程图。
附图标记：
1、毛细玻璃管；10、内壁面；11、第一开口；12、第二开口；13、第一固定耦合部；14、第二固定耦合部；2、入射光纤；20、第一外表面；21、第一单模光纤；22、大芯径光纤；3、反射光纤；30、第二外表面；100、光纤F-P腔传感器。
实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本申请的保护范围。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本申请中，“内”、“外”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
油气井下物理化学参数的测量是石油工业最基本和最关键的环节之一，通过传感器对重要物理参量进行实时监测，及时获取油井下信息，对辨别与确定井下生产工作情况、提高油气采收率以及降低采油成本等具有极为重要的意义。随着石油开采的不断深入，常规采油产量逐渐下降，开采朝超深层油藏、稠油藏等方向发展，深井开采、蒸汽吞吐和蒸汽驱等手段应用于开采中，从而导致油气井下的环境变得越来越恶劣（高温、高压和强腐蚀环境等）。此时，传统电子式传感器由于在高温下存在漂移大、精度低和寿命短等问题已不能满足测试需要。光纤传感器以石英为媒介、光波作为信息载体，具有体积小、重量轻、不带电、耐高温、抗电磁干扰和易于组网等优点，特别适合石油测井领域井下参量的测量。光纤Fabry-Perot腔（简称光纤F-P腔）传感器具有制作简单、灵敏度高以及响应快等优点受到众多科研机构和企业的重视，以非本征光纤F-P腔最为常用，其最经典结构就是将两段光纤相向插入一段准直毛细管内，入射光纤和反射光纤的两个端面相距一定距离d，便构成了光纤F-P腔，如图1所示。
光从入射光纤入射时会在入射光纤和反射光纤相对的端面之间进行反射和投射，反射光会发生干涉现象，从而能够形成反射光谱，通过解调光谱可以计算出F-P腔的腔长d，进而能够根据标定参数反推出被测参数，以实现对被测参数的测量。
然而，在解调的过程中，假设入射光纤和反射光纤的两个发射端面完全平整和相互平行的理想状态，其反射光谱为标准余弦函数形式。光谱强度和对比度（又可称为干涉条纹可见度）是光谱质量最重要的参数，光谱对比度可表示为：
①
上述的公式①中，IMAX为反射光谱光强最大值，IMIN为反射光谱光强最小值，R1为入射光纤的端面反射率，R2为反射光纤的端面反射率。由公式①可知反射率越大，光谱对比度越大，当且仅当R1=R2时，对比度取最大值1。光谱对比度越大，光纤F-P腔传感器的光学性能越好，从而有利于降低噪声、优化解调系统，以使得光纤F-P腔传感器的精度、重复性等参数越高。同时光谱强度越高，抵御损耗的能力越大，光谱的信噪比越高，解调精度越高。
然而，在实际情况下，光在F-P腔内传输时不可避免的存在传输损耗、耦合损耗，在制作过程中也会产生端面不平整、光纤不同轴及横向错位等缺陷，因此公式①实际可表示为：
②
上述的公式②中，η为光强耦合效率，R2N为考虑传输效率后的反射光纤端面的等效反射率。当R1=R2N时，光谱对比度最大取最大值1。
为了能够提高光谱对比度，在研发过程中，通过对光纤反射端面进行镀膜、采用光纤准直器等方法调整R1和R2N的大小，以使R1、R2N尽可能接近，从而提高光谱强度和对比度。但是所镀反射膜使用温度为常温，且光纤准直器封装工艺为胶粘，高温、强腐蚀等环境下会失效，无法满足油气井下高温、高压和强腐蚀等恶劣环境下。
光纤F-P腔传感器在油井下应用时光纤端面一般采用抛光或直接切平等处理，如果不对光纤端面进行镀反射膜等处理，根据菲涅尔公式得光纤端面反射率最大值R≈0.04。假设R1=0.04，由上述公式②可知，当但R2N=R1=0.04时，反射光谱的对比度最大为1。但实际光在F-P腔内传输时不可避免的存在传输损耗、耦合损耗，端面不平整、光纤不同轴及横向错位等缺陷，致使R2N＜0.04；为满足光纤F-P腔传感器的大动态范围监测，F-P腔的腔长d一般取100微米至200微米，致使R2N≤0.02，当d=125微米，R2N=0.02时，光纤F-P腔反射光谱如图2所示，图2是本申请实施例提供的一种现有的光纤F-P腔的理想反射光谱（无损耗），其中横坐标为光的波长，单位为nm，纵坐标为反射强度比，即反射光强IR与初始光强IO的比值，单位为dB。由图2可知当d=125微米，R1=0.04，R2N=0.02时，反射光谱的对比度仅为9dB左右。在对光纤F-P腔传感器的反射光谱进行解调时，尤其油气井下的大动态范围的监测，目前采用较成熟的方法是相位解调，即通过先设置一阈值，通过功率加权法、高斯拟合法等算法，解调出反射光谱各峰值或谷值对应的波长值，然后通过多峰算法或单-多峰复合算法计算出腔长d，进而反推监测量。此算法要求峰值或谷值数量≥3，阈值所截取峰值或谷值数量越多，阈值以上所占比例越大（以峰值为例），解调精度越高。
但实际油气井下监测时，由于监测深度深（≥3000m）、穿越封隔器存在熔接点、井口油管挂穿越存在弯曲、以及井下高温和高压的环境等，使光缆物理、光学参数发生变化，致使光纤F-P腔传感器的反射光谱发生变形，如图3所示，图3是本申请实施例提供的一种现有的光纤F-P腔的反射光谱（有损耗），其中横坐标为光的波长，单位为nm，纵坐标为反射强度比，即反射光强IR与初始光强IO的比值，单位为dB。在实际监测过程中，这种由于环境因素导致的影响是不可控的。同时光纤F-P腔传感器的光纤F-P腔内的物理量的变化还会加剧光谱变形，进而影响光纤F-P腔传感器的光谱解调精度，当阈值所截取峰值或谷值数小于3时，甚至无法完成解调，影响测量及测量精度。然而，如图4所示，图4是本申请实施例提供的一种具有高对比度的光纤F-P腔的反射光谱（有损耗），其中横坐标为光的波长，单位为nm，纵坐标为反射强度比，即反射光强IR与初始光强IO的比值，单位为dB。当光谱的对比度约为35dB时，相同光谱损耗、相同阈值比例下，仍能有效截取4个峰值，可以正常解调，对解调精度的影响非常小。
基于上述研究，由于环境因素不可控，为了能够提高光谱质量，可以从减小光纤F-P腔传感器的光纤F-P腔内的传输损耗入手。目前亟需要研究一种可适用油气井下环境且能提高光谱对比度的方法，并研制出油气井下高损耗适应性光纤F-P腔传感器。光在F-P腔内传输时由于端面不平整、光纤不同轴及横向错位等缺陷产生的损耗，可通过抛光、采用高精度准直毛细管等方法解决，但腔内还会存在传输损耗、耦合损耗，因此影响公式②中的η光强耦合效率的因素，主要剩下传输损耗和耦合损耗，其可表示为：
③
④
上述的公式③和公式④中，ω0为入射光纤的模场半径，θ为光纤内高斯光束发散角，λ为光波长。请结合图5和图6，图5为常用的光纤F-P腔传感器内部的入射光纤与反射光纤的光的传输路径的波动光学图，图6为常用的光纤F-P腔传感器内部的入射光纤与反射光纤的光的传输路径的几何光学图。由公式③可知，入射光纤的模场半径ω0越大，发散角θ越小，光强耦合效率η越大，反射光纤有效反射率R2N越大，R2N与R1值越接近，光纤F-P腔传感器的光谱的对比度越大，传感器解调精度越高。
综上所述，为了能够提高光纤F-P腔传感器在恶劣环境下的测量精度，则需要提高其输出光谱的对比度，从而能够便于实现光谱的解调，提高测量精度。
为了解决上述问题，本申请提供了一种光纤F-P腔传感器及其制造方法，该光纤F-P腔传感器包括毛细玻璃管、入射光纤以及反射光纤，其中入射光纤包括第一单模光纤和与第一单模光纤的一端连接的大芯径光纤，大芯径光纤位于毛细玻璃管内，第一单模光纤至少部分位于毛细玻璃管，第一单模光纤与毛细玻璃管的一端连接，反射光纤与毛细玻璃管的另一端连接，反射光纤至少部分位于毛细玻璃管内，且反射光纤与大芯径光纤具有间距，从而形成F-P腔。本申请通过将第一单模光纤和大芯径光纤连接形成入射光纤，可以利用大芯径光纤增大入射光纤的模场直径，减小光纤由入射光纤出射到反射光纤的发散角，从而能够有效提高光谱对比度，便于后续对光谱的解调，进而提高光纤F-P腔传感器的测量精度。
以下将结合附图和具体实施方式对本申请提供的一种光纤F-P腔传感器及其制造方法进行详细介绍。
请参阅图7至图8，本实施例第一方面提供了一种光纤F-P腔传感器100，其包括毛细玻璃管1、入射光纤2以及反射光纤3，其中，毛细玻璃管1的两端分别具有第一开口11和第二开口12，以便于入射光纤2和反射光纤3分别从第一开口11和第二开口12进入毛细玻璃管1内部。入射光纤2包括第一单模光纤21和与第一单模光纤21的一端连接的大芯径光纤22，大芯径光纤22位于毛细玻璃管1内，且第一单模光纤21至少部分位于毛细玻璃管1内，且第一单模光纤21与毛细玻璃管1的一端连接，及第一单模光纤21与第一开口11连接。反射光纤3与毛细玻璃管1的另一端，即第二开口12连接，反射光纤至少部分位于毛细玻璃管1内，且反射光纤与大芯径光纤22具有间距，该间距即为腔长d，从而形成光纤F-P腔传感器100。其中，第一单模光纤21和反射光纤3的芯径通常为8微米至10微米，大芯径光纤22（large-corefibers）是指具有相对较大光纤纤芯的光纤，其芯径范围为50微米至105微米，可以根据实际情况进行选择，在本实施例中不作限定。本实施例利用大芯径光纤22的芯径要明显大于单模光纤的芯径的特性，将其与第一单模光纤21进行连接，以使得光自大芯径光纤22射出时，由于大芯径光纤22的模场直径较大，而减小光的发散角，根据上述的公式③和公式④可知，此时光强耦合效率η增大，从而能够降低光在传输过程中的传输损耗，以使得反射光纤的端面等效反射率R2N增大，并使得R1和R2N越相近，进而提高光谱的对比度。光谱对比度越大，光纤F-P腔传感器的光学性能越好，从而有利于降低噪声、优化解调系统，以使得光纤F-P腔传感器的精度、重复性等参数越高。同时光谱强度越高，抵御损耗的能力越大，光谱的信噪比越高，解调精度越高，以便于提高光谱的解调精度，提高光纤F-P腔传感器100的测量精度，尤其能够适应油气井下的高损耗环境。
值得说明的是，第一单模光纤21可以为G652型号的单模光纤，也可以是其他型号的单模光纤；反射光纤3可以为单模光纤，也可以为多模光纤，在本申请中对第一单模光纤以及反射光纤的型号不作限定。且第一单模光纤21可以与反射光纤的型号相同，也可以不同，在本申请中不作限定。其中，大芯径光纤22可以为突变型大芯径光纤22，也可以为渐变型大芯径光纤22，在本申请中不作限定。
示例性的，毛细玻璃管1内部的两端分别设置有第一固定耦合部13和第二固定耦合部14，且第一单模光纤21连接于第一固定耦合部13，反射光纤3连接于第二固定耦合部14，第一单模光纤21和反射光纤3可以通过胶接、填料焊接以及高温烧结中的任一种方式实现分别与毛细玻璃管1的第一固定耦合部13和第二固定耦合部14进行连接，第一固定耦合部13和第二固定耦合部14能够实现第一单模光纤21和反射光纤3与毛细玻璃管1的隔离以及其在管内的位置，以通过第一固定耦合部13和第二固定耦合部14实现对第一单模光纤21和反射光纤3的限位、固定以及连接。
具体地，第一固定耦合部13和第二固定耦合部14可以为环绕第一单模光纤21和反射光纤3的环形连接结构，也可以是均布于该环形位置的多个点连接结构，在本实施例中不作具体限定。
一些实施例中，除了光谱的对比度会对光谱的解调精度造成影响，光谱强度也会影响光谱的解调。即尽管一些大芯径光纤22其自身芯径较大，能够增大模场直径，减小发散角，但是由于大芯径光纤22与第一单模光纤21的衔接处的模场直径变化较大，导致光自大芯径光纤22回到第一单模光纤21时，会有一部分光不能够回到第一单模光纤21，从而会发生较大的光强损耗，降低光谱的质量。为了解决上述问题，大芯径光纤22可以选用平方律折射率分布光纤，平方律折射率分布光纤是指当光在这种光纤中传输时，纤芯中光的轨迹呈余弦形曲线的光纤。称抛物线或梯度折射率光纤或自聚焦光纤。通过选用平方律折射率分布光纤可以使得光在平方律折射率分布光纤的特性下能够会聚到第一单模光纤21的纤芯内，从而使得平方律折射率分布光纤内的光能够尽可能多的回到第一单模光纤21，进而降低光纤在传输过程中的光强损耗，提高光谱质量，便于实现后续的解调工作，提高测量精度。
进一步地，平方律折射率分布光纤的长度为（k+1/4）P，其中，k为自然数，P为平方律折射率分布光纤的光空间周期。由于光在平方律折射率分布光纤内部的轨迹为余弦形曲线，则光会在一些位置形成平行光束。若将光在该位置射出平方律折射率分布光纤，此时光的发散角可以为0°，即光可以垂直于平方律折射率分布光纤的端面射出，并垂直照射于反射光纤3，再全部反射回平方律折射率分布光纤，从而能够进一步减小光的传输损耗。当平方律折射率分布光纤的长度为（k+1/4）P时，入射光经过平方律折射率分布光纤时会被准直，大大减小发散角，可以使得光刚好以平行光束的形式射出平方律折射率分布光纤，以使光的发散角为0°，根据公式④可知光强耦合效率η增大，有效减少光的传输损耗，以使得反射光纤的端面等效反射率R2N增大，R1和R2N越相近，从而提高光谱的对比度，便于提高后续光谱的解调精度，进而进一步提高测量精度。同时，经过平方律折射率分布光纤准直后的入射光在经过F-P腔时，被反射光纤端面反射后再次进入平方律折射率分布光纤时，会与与入射光纤的反射光产生干涉光，当平方律折射率分布光纤的长度（k+1/4）P时，干涉光会被聚焦后进入第一单模光纤21，不会产生光损耗，从而能够有效提高光谱强度，降低后续对解调仪的性能参数的要求，有助于实现光谱的解调。
值得说明的是，k可以为0、1、2、3、5、10、20等，其可以根据实际需要进行调整，在本实施例中不作限定。平方律折射率分布光纤的光空间周期P可以由以下公式获得：
⑤
上述公式⑤中的A为平方律折射率分布光纤的聚焦参数。
至此，本实施例提供的光纤F-P腔传感器100，在入射光纤2和反射光纤3的端面均无镀膜的情况下能够得到具有高强度、高光谱对比度的光纤F-P腔的反射光谱，进而满足油气井下等恶劣环境监测的监测，如图9所示，其中波峰和波谷差值较大的曲线为本实施例提供的光纤F-P腔的反射光谱，波峰和波谷差值较小的曲线为一般的光纤F-P腔的反射光谱，其横坐标为波长，单位为nm，纵坐标为光功率，单位为dBm。
请再次参阅图8，一些实施例中，由于光纤F-P腔传感器100在测量过程中，其入射光纤2和反射光纤3会发生一定的形变，从而使得腔长d发生变化，以实现对待测参数的测量。为了避免入射光纤2和反射光纤3与毛细玻璃管1接触，导致在接触位置产生摩擦力，影响入射光纤2和反射光纤3的形变，从而影响测量精度。为了解决上述问题，要使得第一单模光纤21、大芯径光纤22以及反射光纤3的外表面应与毛细玻璃管1的内壁面10具有间距H。且沿垂直于毛细玻璃管1轴线的方向上，第一单模光纤21和大芯径光纤22的第一外表面20与毛细玻璃管1的内壁面10的间距H为0.5微米-2.5微米，即可以为0.5微米、0.6微米、1微米、1.5微米、2微米、2.4微米、2.5微米等；且沿垂直于毛细玻璃管1轴线的方向上，反射光纤3的第二外表面30与毛细玻璃管1的内壁面10的间距H为0.5微米-2.5微米，即可以为0.5微米、0.6微米、1微米、1.5微米、2微米、2.4微米、2.5微米等。此外，第一单模光纤21、大芯径光纤22以及反射光纤3的轴线应位于同一直线上，从而能够使得第一单模光纤21、大芯径光纤22以及反射光纤3与毛细玻璃管1内壁面10具有间距，以避免第一单模光纤21、大芯径光纤22以及反射光纤3由于与毛细玻璃管1内壁面10的接触导致生成接触摩擦力，影响其形变，进而影响测量精度的情况发生。同时，通过使得间距为0.5微米-2.5微米，能够在保证第一单模光纤21、大芯径光纤22以及反射光纤3与毛细玻璃管1内壁面10具有间距的同时，避免间距过大，导致第一单模光纤21、大芯径光纤22以及反射光纤3在毛细玻璃管1内的可弯曲空间过大，影响第一单模光纤21、大芯径光纤22以及反射光纤3的直线度和同轴度的情况发生。
值得说明的是，第一单模光纤21和大芯径光纤22的外径相同，此时第一单模光纤21和大芯径光纤22的外表面为同一第一外表面20，其与毛细玻璃管1内壁面10的间距H是相同的。反射光纤的外径可以与第一单模光纤21的外径相同，也可以与第一单模光纤21的外径不同，只要保证其轴线与第一单模光纤21的轴线在同一直线上即可，在本实施例中不作限定。
本实施例第一方面提供的光纤F-P腔传感器100，包括毛细玻璃管1、入射光纤2以及反射光纤3，其中入射光纤2包括第一单模光纤21和与第一单模光纤21的一端连接的大芯径光纤22，大芯径光纤22位于毛细玻璃管1内，第一单模光纤21至少部分位于毛细玻璃管1，第一单模光纤21与毛细玻璃管1的一端连接，反射光纤3与毛细玻璃管1的另一端连接，反射光纤3至少部分位于毛细玻璃管1内，且反射光纤3与大芯径光纤22具有间距，从而形成F-P腔。本申请通过将第一单模光纤21和大芯径光纤22连接形成入射光纤2，可以利用大芯径光纤22增大入射光纤2的模场直径，减小光纤由入射光纤2出射到反射光纤3的发散角，从而能够有效提高光谱对比度，便于后续对光谱的解调，进而提高光纤F-P腔传感器100的测量精度。
请参阅图10，本实施例第二方面还公开了一种如上述第一方面所述的光纤F-P腔传感器100的制造方法，该方法包括：
步骤S201：截取设定长度的第一单模光纤21，将第一单模光纤21一端的涂覆层去除，得到具有设定长度裸光纤的第一单模光纤21。
在本实施例中，由于第一单模光纤21需要插入到毛细玻璃管1内，且位于毛细玻璃管1内的光纤的涂覆层需要去除，因此，在得到设定长度的第一单模光纤21后，需要对第一单模光纤21的涂覆层进行去除。
值得说明的是，上述的设定长度的第一单模光纤21以及设定长度的裸光纤中的设定长度为可以根据实际需要确定长度值的大小，且第一单模光纤21的设定长度与裸光纤的设定长度为两个互不干涉的长度，其可以根据实际需要自行调整，在本实施例中，对各个部分的长度不作限定。
可以理解的是，上述的第一单模光纤21可以为型号为型号G652，表面涂覆层包括丙烯酸酯、聚酰亚胺、金、碳等材料的单模光纤。或者在其他实施方式中，第一单模光纤21也可以为其他型号且涂覆层材料也可以不同，在本实施例中不作限定。
步骤S202：截取设定长度的大芯径光纤22，将大芯径光纤22的涂覆层去除。
在本实施例中，由于大芯径光纤22也需要插入到毛细玻璃管1内，且其完全位于毛细玻璃管1内，因此，需要将大芯径光纤22的涂覆层全部去除。
值得说明的是，上述的设定长度为大芯径光纤22可以根据设计需要选取一定的长度，其与第一单模光纤21的长度不相关，在本实施例中对大芯径光纤22的具体长度不作限定。
进一步地，大芯径光纤22可以选用平方律折射率分布光纤，平方律折射率分布光纤是指当光在这种光纤中传输时，纤芯中光的轨迹呈余弦形曲线的光纤。称抛物线或梯度折射率光纤或自聚焦光纤。通过选用平方律折射率分布光纤可以使得光在平方律折射率分布光纤的特性下能够会聚到第一单模光纤21的纤芯内，从而使得平方律折射率分布光纤内的光能够尽可能多的回到第一单模光纤21，进而降低光纤在传输过程中的光强损耗，提高光谱质量，便于实现后续的解调工作，提高测量精度。
步骤S203：将第一单模光纤21的具有裸光纤的一端与大芯径光纤22进行连接，形成入射光纤2。
在本实施例中，入射光纤2由第一单模光纤21和大芯径光纤22组合形成，从而能够扩大入射光纤2的模场直径，减小自入射光纤2射出的光的发散角，以减少光的传输损耗，以提高光谱的对比度，进而提高测量精度。
请结合图11，上述步骤S203可以由以下方法实现：
步骤S2031：将第一单模光纤21的具有裸光纤的一端与大芯径光纤22进行熔接。
在本实施例中，为了保证第一单模光纤21与大芯径光纤22的连接质量，其可以利用熔接机对二者进行连接。
步骤S2032：对熔接点进行标记。
在本实施例中，为了提高光谱强度，可以对大芯径光纤22的长度做进一步地调整，以熔接点作为确定大芯径光纤22长度的起始点，从而便于对大芯径光纤22进行进一步裁切。
步骤S2033：对所大芯径光纤22进行切割，形成入射光纤2，沿大芯径光纤22的轴线方向，切割点与熔接点的距离为（k+1/4）P，其中，k为自然数，P为平方律折射率分布光纤的光空间周期。
在本实施例中，由于光在平方律折射率分布光纤内部的轨迹为余弦形曲线，则光会在一些位置形成平行光束。若将光在该位置射出平方律折射率分布光纤，此时光的发散角可以为0°，即光可以垂直于平方律折射率分布光纤的端面射出，并垂直照射于反射光纤3，再全部反射回平方律折射率分布光纤，从而能够进一步减小光的传输损耗。上述对平方律折射率分布光纤的长度限制，可以使得光刚好以平行光束的形式射出平方律折射率分布光纤，以使光的发散角为0°，有效减少光的传输损耗，从而提高光谱的对比度，便于提高后续光谱的解调精度，进而进一步提高测量精度。
值得说明的是，k可以为0、1、2、3、5、10、20等，其可以根据实际需要进行调整，在本实施例中不作限定。
步骤S204：对入射光纤2进行检测。
在本实施例中，在将第一单模光纤21和大芯径光纤22连接后，需要对其形成的入射光纤2进行检测，以检测其连接处的光传输质量以及入射光纤2的端面质量，从而能够避免在后续制造完成后，才发现入射光纤2质量不达标的情况，在及时发现问题并解决的同时能够有效提高产品良率。
步骤S205：响应于入射光纤2满足检测要求，则截取设定长度的毛细玻璃管1，将入射光纤2具有大芯径光纤22的一端插入毛细玻璃管1内。
在本实施例中，当入射光纤2的检测结果满足检测要求时，可以进行下一步操作，即，可以准备设定长度的毛细玻璃管1，并将入射光纤2的具有大芯径光纤22的一端插入毛细玻璃管1内。本实施例提供的入射光纤2，需要通过大芯径光纤22实现光的输出和输入，因此需要将入射光纤2的具有大芯径光纤22的一端首先插入毛细玻璃管1内。
步骤S206：响应于第一单模光纤21的裸光纤全部进入毛细玻璃管1，则将第一单模光纤21与毛细玻璃管1进行固定连接。
在本实施例中，当入射光纤2插入到第一单模光纤21的裸光纤全部进入到毛细玻璃管1内部时，可以将第一单模光纤21与毛细玻璃管1进行固定连接。通过使得第一单模光纤21的裸光纤全部进入毛细玻璃管1内部，可以使得第一单模光纤21的涂覆层刚好抵住毛细玻璃管1，在实现对第一单模光纤21的限位的同时，还能够对毛细玻璃管1进行封闭。
进一步地，上述将第一单模光纤21与毛细玻璃管1进行固定连接的所述固定连接的方法可以为胶接、填料焊接以及高温烧结中的任一种，在本实施例中不作限定。
步骤S207：截取设定长度的光纤，将光纤一端的涂覆层去除，得到具有设定长度裸光纤的光纤，形成反射光纤3。
在本实施例中，由于反射光纤3也需要插入到毛细玻璃管1内，因此光纤的涂覆层也需要去除。可以理解的是，反射光纤3可以为单模光纤，也可以为多模光纤，反射光纤3可以与第一单模光纤21的型号相同，也可以与第一单模光纤21的型号不同，在本实施例中不作限定。
值得说明的是，反射光纤3的设定长度也是根据实际需要进行设定，在本实施例中不作限定。同时反射光纤3的裸光纤的设定长度为反射光纤3位于毛细玻璃管1内部的长度，其可以根据光纤F-P腔传感器100的腔长、毛细玻璃管1的长度、以及第一单模光纤21的裸光纤长度和大芯径光纤22的长度共同限定，在本实施例中不作具体限定。
步骤S208：将反射光纤3的具有裸光纤的一端插入毛细玻璃管1。
在本实施例中，由于毛细玻璃管1内的光纤不能够具有涂覆层，因此将反射光纤3的具有裸光纤的一端插入到毛细玻璃管1的与入射光纤2相对的一侧。
请结合图12，示例性的，上述的步骤S208可以由以下方法实现，包括：
步骤S2081：用夹具将连接有入射光纤2的毛细玻璃管1进行固定。
在本实施例中，在将反射光纤3插入到毛细玻璃管1内部时，入射光纤2已经插入毛细玻璃管1内部并进行固定连接。此时，若想保证反射光与入射光纤2的同轴度，则需要将毛细玻璃管1用夹具固定好。
步骤S2082：用五维位移台将反射光纤3进行夹持固定。
在本实施例中，为了实现反射光纤3的高质量插入，则可以使用五维位移台进行操作，以提高连接质量。
步骤S2083：利用五维位移台将反射光纤3的裸光纤自毛细玻璃管1的另一端插入毛细玻璃管1内。
在本实施例中，由于五维位移台不仅可以控制反射光纤3在X、Y、Z轴的位置，还能够控制其在X、Y轴的角度，从而能够及时对反射光纤3的位置形态进行调整，以提高光纤F-P腔传感器100的制造精度，进而提高其测量精度。
步骤S209：响应于反射光纤3的裸光纤全部进入毛细玻璃管1时，反射光纤3与大芯径光纤22具有间距，将反射光纤3与毛细玻璃管1进行固定连接。
通过使得反射光纤3的裸光纤全部进入毛细玻璃管1内部，可以使得反射光纤3的涂覆层刚好抵住毛细玻璃管1，在实现对反射光纤3的限位的同时，还能够对毛细玻璃管1进行封闭。且反射光纤3与大芯径光纤22之间的间距即为光纤F-P腔传感器100的腔长，在得到想要的腔长后，可以将反射光纤3与毛细玻璃管1进行固定连接，以避免其脱离。
进一步地，上述将反射光纤3与毛细玻璃管1进行固定连接的所述固定连接的方法可以为胶接、填料焊接以及高温烧结中的任一种，在本实施例中不作限定。
本实施例第二方面提供的光纤F-P腔传感器100的制造方法，不仅能够提高光纤F-P腔传感器100的制造精度、制造良率，还能够提高光纤F-P腔传感器100的测量精度。
需要说明的是，本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围由权利要求指出。应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种光纤F-P腔传感器，其特征在于，包括：
毛细玻璃管，所述毛细玻璃管的两端具有开口；
入射光纤，所述入射光纤包括第一单模光纤和与所述第一单模光纤的一端连接的大芯径光纤，所述大芯径光纤位于所述毛细玻璃管内，所述第一单模光纤至少部分位于所述毛细玻璃管，所述第一单模光纤与所述毛细玻璃管的一端连接；以及
反射光纤，所述反射光纤与所述毛细玻璃管的另一端连接，所述反射光纤至少部分位于所述毛细玻璃管内，且所述反射光纤与所述大芯径光纤具有间距；
其中，所述大芯径光纤为平方律折射率分布光纤；所述平方律折射率分布光纤的长度为（k+1/4）P，，其中，k为自然数，P为所述平方律折射率分布光纤的光空间周期，A为平方律折射率分布光纤的聚焦参数。
2.根据权利要求1所述的光纤F-P腔传感器，其特征在于，沿垂直于所述毛细玻璃管轴线的方向上，所述第一单模光纤和所述大芯径光纤的第一外表面与所述毛细玻璃管的内壁面的间距为0.5微米-2.5微米；
沿垂直于所述毛细玻璃管轴线的方向上，所述反射光纤的第二外表面与所述毛细玻璃管的内壁面的间距为0.5微米-2.5微米。
3.根据权利要求1所述的光纤F-P腔传感器，其特征在于，所述毛细玻璃管内部的两端分别设置有第一固定耦合部和第二固定耦合部，所述第一单模光纤连接于所述第一固定耦合部，所述反射光纤连接于所述第二固定耦合部。
4.一种光纤F-P腔传感器的制造方法，其特征在于，包括：
截取设定长度的第一单模光纤，将所述第一单模光纤一端的涂覆层去除，得到具有设定长度裸光纤的所述第一单模光纤；
截取设定长度的大芯径光纤，将所述大芯径光纤的涂覆层去除，所述大芯径光纤为平方律折射率分布光纤；
将所述第一单模光纤的具有裸光纤的一端与所述大芯径光纤进行连接，形成入射光纤，包括：将所述第一单模光纤的具有裸光纤的一端与所述大芯径光纤进行熔接，对熔接点进行标记，对所述大芯径光纤进行切割，形成所述入射光纤，沿所述大芯径光纤的轴线方向，切割点与所述熔接点的距离为（k+1/4）P，其中，k为自然数，P为所述平方律折射率分布光纤的光空间周期；
对所述入射光纤进行检测；
响应于所述入射光纤满足检测要求，则截取设定长度的毛细玻璃管，将所述入射光纤具有所述大芯径光纤的一端插入所述毛细玻璃管内；
响应于所述第一单模光纤的裸光纤全部进入所述毛细玻璃管，则将所述第一单模光纤与所述毛细玻璃管进行固定连接；
截取设定长度的光纤，将所述光纤一端的涂覆层去除，得到具有设定长度裸光纤的所述光纤，形成反射光纤；
将所述反射光纤的具有裸光纤的一端插入所述毛细玻璃管；
响应于所述反射光纤的裸光纤全部进入所述毛细玻璃管，所述反射光纤与所述大芯径光纤具有间距，将所述反射光纤与所述毛细玻璃管进行固定连接。
5.根据权利要求4所述的光纤F-P腔传感器的制造方法，其特征在于，所述将所述第一单模光纤与所述毛细玻璃管进行固定连接的所述固定连接的方法为胶接、填料焊接以及烧结中的任一种。
6.根据权利要求4所述的光纤F-P腔传感器的制造方法，其特征在于，所述将所述反射光纤的具有裸光纤的一端插入所述毛细玻璃管的方法包括：
用夹具将连接有所述入射光纤的所述毛细玻璃管进行固定；
用五维位移台将所述反射光纤进行夹持固定；
利用所述五维位移台将所述反射光纤的裸光纤自所述毛细玻璃管的另一端插入所述毛细玻璃管内。
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