[發明專利]一種干涉型反射探針式光纖微傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 201410144204.2
• 申請日: 2014-04-11
• 公開（公告）號: CN103940456A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 姜瀾;曹志濤;王素梅;王鵬;張飛
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01D5/32
• 分類號: G01D5/32;G01D5/353;G02B6/255
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明公開了一種干涉型反射探針式光纖微傳感器及其制作方法，屬于微型傳感器技術領域。

背景技術

光纖傳感器具有很廣闊的應用背景，干涉型光纖傳感器是一種基于相位調制技術的高精度傳感器件，能靈敏感應被測物理量的變化，且有極高的檢測分辨率，相應的相位改變可用于檢測折射率、溫度、應力等物理量的微小變化，有很強的實際應用價值。

現有的干涉型光纖傳感器主要基于法布里帕羅（Fabry?Perot-Interferometer,FPI）原理，分為一體成型的FPI光纖微傳感器和組裝型的FPI光纖傳感器兩種主要的類別，分別如圖1和圖2所示。一體成型光纖傳感器的干涉結構由不同的三維微納加工工藝在裸光纖中加工獲得，干涉表面的加工質量無法達到高質量干涉的基本要求（鏡面級反射和平行度），造成干涉條紋的干涉強度較低和品質因數較差等缺陷，不利于條紋波長定位，也不利于光譜信號的調制解調，限制了光纖傳感器分辨率的提高；組裝型光纖傳感器的干涉結構由光纖端面拋磨以及表面鍍膜等方式制作高質量反射表面，通過人工組裝實現干涉表面的平行對中性，可以實現品質因數極高的干涉光譜，但其結構穩定性較差，復雜的組裝結構需要較復雜的裝配工藝，且傳感器結構尺寸較大，無法實現μm級別的檢測尺度。為了解決小范圍高分辨率的傳感測量，需要進一步提高一體成型光纖傳感器干涉表面的加工質量，現有的三維立體加工工藝很難滿足要求。

發明內容

本發明的目的是為解決干涉型光纖傳感器品質因數差，不易調制解調，組裝結構穩定性差，尺寸較大的不足，提供了一種干涉型反射探針式光纖微傳感器及其制作方法。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

本發明的一種干涉型反射探針式光纖微傳感器，其結構包括一體加工而成的光纖接入段、光纖錐匯聚段、光纖半球反射段和模式激發器；

光纖接入段為圓柱形的未加工裸光纖，光纖半球反射段為半球形結構，光纖錐匯聚段為光纖接入段向光纖半球反射段的錐形過渡；光纖半球反射段的球直徑為光纖接入段直徑的0.16～0.32倍，光纖錐匯聚段的長度為光纖接入段直徑的2.5～4.8倍；

在光纖錐匯聚段上與光纖接入段的距離為0.2～0.3倍錐長的位置處向內徑向開孔，作為模式激發器，模式激發器的開孔深度至光纖纖芯的一半。

光纖接入段、光纖錐匯聚段和光纖半球反射段采用的材料為單模光纖、多模光纖、保偏光纖或光子晶體光纖，光纖接入段的直徑為選用的光纖的直徑。

本發明的一種干涉型反射探針式光纖微傳感器的制作方法，其具體步驟為：

步驟1）采用熔融法將一段光纖拉制成兩段前段為錐段、前端端部為半球頭反射面的傳感器，使每個傳感器的錐段長度為裸光纖直徑的2.5～4.8倍，半球頭反射面的球面直徑為裸光纖直徑的0.16～0.32倍；

步驟2）在光纖錐匯聚段上距離光纖接入段0.2～0.3倍錐長位置處采用飛秒激光脈沖技術在錐表面沿徑向向內加工微孔，作為模式激發器，微孔的直徑為0.05～0.10倍裸光纖直徑，微孔的加工深度達到光纖纖芯的一半；微孔的加工過程采用水輔助方法去除光纖碎屑；

在步驟2）中加工的模式激發器還可以采用二氧化碳激光技術加工或者采用熔融連接技術加工。

工作過程：

光纖接入段通過光纖耦合器或光纖環形器接入光纖解調儀，一定波段（大于傳感器自由光譜范圍）的光從光纖接入段入射到光纖后，光纖纖芯中的光經過模式激發器后部分激發到光纖包層中短暫傳播，部分進入包層傳播的光經光纖錐匯聚段的匯聚和光纖半球反射段的反射作用后與纖芯中殘留的反射光發生諧振耦合，由光纖解調儀獲得干涉光譜。

包層模式發生全反射的條件主要與包層空氣界面的有效折射率有關，在忽略溫度的變化，包層折射率在一般情況下是不變的，外界空氣的折射率改變可明顯引起反射光譜峰值位置的變化，因而該傳感器可以用來進行空氣折射率、濃度和濕度檢測；單模光纖的纖芯摻雜濃度較高，同樣的溫度變化情況下，熱光耦合系數較高的光纖芯層折射率變化更大，因而溫度的改變也能引起反射光譜峰值位置的變化，因而該傳感器可以用來進行溫度檢測；光纖在應力狀態不同的情況下，其長度會發生改變，光纖長度的改變能改變反射光譜衰減峰值位置，因而該傳感器可以用來進行應力檢測。干涉光譜的諧振衰減峰可以敏感地檢測到溫度、外界折射率及應力狀態的變化，當外界環境中的物理狀態發生微小變化時，干涉光譜諧振衰減峰的位置會發生相應漂移，通過光纖解調儀檢測出諧振衰減峰波長位置變化得到外界物理參數的變化，從而達到傳感器的效果。