[發明專利]一種具有光學游標效應的光纖FP氣壓傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201711315562.5
• 申請日: 2017-12-12
• 公開（公告）號: CN108225657B
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發明（設計）人: 孫兵;韓智天;張祖興;韋瑋
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

本發明公開了一種具有光學游標效應的光纖FP氣壓傳感器及其制備方法，其傳感器包括單模光纖、石英毛細管和光子晶體光纖。石英毛細管的兩端分別與單模光纖和光子晶體光纖的各自一端通過熔接的方式連接；所述光子晶體光纖的另一端直接與外界相連，其孔狀結構便于外界氣體進入所述光纖FP傳感器的腔內，從而所述石英毛細管和光子晶體光纖構成具有游標效應的兩個法布里?珀羅諧振腔。制備時使用商用光纖熔接機，控制好電極的放電時間和放電強度大小使兩種類型的光纖級聯和使用精密切割裝置切割光纖，嚴格控制光纖的長度，從而產生游標效應。本發明的光纖FP氣壓傳感器體積小，制備簡便，適應性強，靈敏度高，具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于光纖傳感與通信技術領域，具體涉及一種具有光學游標效應的光纖FP氣壓傳感器及其制備方法。

背景技術

氣壓傳感器作為壓力傳感器的一種，在國防、海事、航天以及民用等方面具有廣泛的應用價值，甚至一些智能手機上也內嵌了氣壓傳感器。而基于法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot interferometer，FPI)的光纖氣壓傳感器因其獨特的優勢倍受業界關注。眾所周知，光纖FPI通常包括由光纖端面和膜片端面構成法布里-珀羅腔，當法布里-珀羅腔被外界氣壓作用時，法布里-珀羅腔的腔體會發生改變，通過檢測腔長變化所引起的反射光干涉光譜變化，便可以實現氣壓測量。如將單模光纖尾端的微腔切掉一部分后與SiO₂薄膜熔接形成FP腔，這種結構可以用于低壓傳感，靈敏度可達1.1rad/40kPa。J.Ma等人對FP腔結構進行了改進，將單模光纖與玻璃管熔接后，在玻璃管內加壓的方式對玻璃管放電，形成一個微氣泡，該氣泡用于氣壓測量，靈敏度可提高到315pm/MPa。C.R.Liao等人簡化了制作過程，在單模光纖熔接過程中故意形成一個氣泡，然后在熔接機中在氣泡一端熔斷光纖，繼續放電使氣泡壁變薄，最薄的壁厚320nm。氣壓作用在氣泡壁，使氣泡形變，腔長變化引起波長的漂移，該傳感器的靈敏度提高到1036pm/Mpa，但是由于氣泡壁太薄，結構強度太低。所以，基于氣泡的壓強傳感器只能測量低壓，且靈敏度不夠高。

然而，現有技術的光纖FP氣壓傳感器通常體積較大，加工工藝復雜，不適應當前傳感器逐漸小型化的趨勢，比如在智能手機上安置這類氣壓傳感會更加困難。通過薄膜蒸鍍以及飛秒激光微加工等技術盡管也能實現FP腔，但從安全、制作工藝以及制作成本等方面仍存在某些缺陷。例如，薄膜蒸鍍法通常采用化學氣相沉積的技術利用含有薄膜元素的一種或幾種氣相化合物或單質，在光纖表面上進行化學反應形成薄膜，此技術可在中溫或者高溫，常壓或者真空條件下進行。但是薄膜涂層的厚度需要精確控制，且薄膜沉積層通常具有柱狀晶體結構，不耐彎曲，而且此技術耗時，設備儀器成本也很昂貴。飛秒激光器微加工技術可在石英毛細管包層處打孔，使打出的氣孔與其中心空氣孔相連從而形成FP腔，還有直接在單模光纖纖芯處打孔，再與另外一根單模光纖熔接，通過熔接機電弧放電的形式形成一個氣泡，從而產生FP腔，此方法制備過程簡便容易，但是對于飛秒激光器打孔的參數需要精確的設定，且飛秒激光器價格昂貴，氣壓靈敏度也不高，上述方案最大的靈敏度只能達到3.592nm/MPa。

發明內容

本發明目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種具有光學游標效應的光纖FP氣壓傳感器及其制備方法，其光纖FP傳感器體積小、探測靈敏度高；其制備方法簡單易行、成本低廉。

為解決上述技術問題，本發采用以下技術方案。

本發明的一種具有光學游標效應的光纖FP氣壓傳感器，其特征在于，包括單模光纖、石英毛細管(HCF)和光子晶體光纖(PCF)；所述石英毛細管的右端與所述單模光纖的一端通過熔接的方式連接，其左端和所述光子晶體光纖的一端通過熔接方式連接；所述光子晶體光纖另一端直接與外界相連，其孔狀結構便于外界氣體進入所述光纖FP傳感器的腔內，從而所述石英毛細管和光子晶體光纖構成具有游標效應的兩個法布里-珀羅諧振腔。

所述的石英毛細管的長度大于光子晶體光纖的長度，所述的石英毛細管光程和光子晶體光纖光程之和與石英毛細管的光程比例趨近于1.1-1.3:1。