一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克 爾遜干涉儀的溫度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，它 是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術(shù)，是許多經(jīng)濟(jì)、 軍事強(qiáng)國爭相研宄的高新技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和國防軍事領(lǐng)域，如在 航天（溫度測量、陀螺等）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測量、電壓測量）、航海（聲納）、 石油開采（液面高度、流量測量）、科學(xué)研宄等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。光纖傳感器的傳感靈敏度 要比傳統(tǒng)傳感器高許多倍，具有高靈敏度、耐腐蝕、抗干擾、體積小等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 光子晶體光纖（photoniccrystalfibers，簡稱PCF)由石英材料構(gòu)成，是一種介 電常數(shù)呈周期性分布的光纖，其變化周期的數(shù)量級達(dá)到光波長的數(shù)量級，是具有光子頻率 禁帶的特殊光學(xué)材料。光子晶體光纖相較于傳統(tǒng)光纖，具有無截止單模傳輸、可調(diào)節(jié)色散、 高雙折射、可進(jìn)行偏振控制等特性。按照導(dǎo)光原理，光子晶體光纖可分為折射率引導(dǎo)型光子 晶體光纖和光子帶隙型光子晶體光纖。折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖與傳統(tǒng)全內(nèi)反射光纖導(dǎo) 光機(jī)制類似，其纖芯的有效折射率高于包層的有效折射率，滿足全內(nèi)反射導(dǎo)光原理?xiàng)l件。本 專利采用的光子晶體光纖LMA-10即是一種折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖。
[0004] 邁克爾遜干涉儀簡介：傳統(tǒng)光纖邁克爾遜干涉儀的是由光源、3dB耦合器、兩根光 纖，反射鏡、探測器組成；兩根光纖的其中一根作為參考光纖，另一根作為信號光纖。光源 發(fā)出的光經(jīng)過隔離器后，進(jìn)入3dB光纖耦合器，分成兩路光強(qiáng)一樣的光分別從耦合器的a端 和b端射出，一路經(jīng)過信號光纖，被外界信號調(diào)制，然后被反射鏡反射，從原路返回射入a端 口。另一路則經(jīng)過參考光纖后直接反射回來進(jìn)入b端口，從a和b端口射入的兩路光在耦 合器中耦合的時(shí)候發(fā)生干涉，而調(diào)制信號引起的相位變化就會(huì)反映到干涉信號中，經(jīng)過光 電轉(zhuǎn)換之后，利用光強(qiáng)變化可以準(zhǔn)確測量相位的變化情況，而這個(gè)相位的變化，準(zhǔn)確記錄了 外界調(diào)制信號，這就是利用邁克爾遜干涉儀來進(jìn)行的檢測的基本原理。在改進(jìn)的光纖邁克 爾遜干涉儀中，通過對光纖進(jìn)行刻蝕、熔接加工等方法，使得普通傳輸光纖形成特定結(jié)構(gòu)， 可以實(shí)現(xiàn)光纖耦合器分光合光的作用；此時(shí)，當(dāng)光傳輸至耦合器時(shí)，原來僅在傳輸光纖纖芯 中傳輸?shù)墓鈱⒎謩e在纖芯和包層中傳輸，傳輸至光纖端面時(shí)，由于光纖端面的菲涅爾反射， 在纖芯和包層中傳輸?shù)墓鈱⒎聪騻鬏?，并在光纖耦合器處實(shí)現(xiàn)合光。此時(shí)，在同一個(gè)光纖中 就可以實(shí)現(xiàn)光傳播的兩個(gè)路徑。通過對該兩個(gè)路徑傳輸光的干涉光譜進(jìn)行檢測，就可以從 干涉信號的變化中得到外界調(diào)制信號的變化。在光纖端面鍍金膜可以大大加強(qiáng)光反射的效 率，使得檢測更為精確。
[0005] 一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其傳感頭是由 經(jīng)過腐蝕的光子晶體光纖制作而成，傳感頭與傳輸光纖、環(huán)形器、寬帶光源、光譜儀一起構(gòu) 成該光纖傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度 傳感器的技術(shù)方案。
[0007] 所述的一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征 在于由寬帶光源1、傳輸光纖2、環(huán)形器3、傳輸光纖4、傳感頭5、溫度控制箱6、傳輸光纖7、 光譜儀8組成；經(jīng)過腐蝕并在端面鍍石墨烯膜和金膜的光子晶體光纖構(gòu)成傳感頭5,傳感頭 5的一端通過傳輸光纖4與環(huán)形器3的b端相連，傳感頭5置于溫度控制箱6中；環(huán)形器的 a端通過傳輸光纖2與寬帶光源1相連，環(huán)形器的c端通過傳輸光纖7與光譜儀8相連。環(huán) 形器3的作用是將光纖中傳輸?shù)恼颍ㄝ斎耄┕庑盘柡头聪颍ㄝ敵觯┕庑盘柗珠_，環(huán)形器 3沿著a-b-c的光路單向環(huán)形。
[0008] 所述的一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征 在于制作傳感頭5時(shí)需使用的光子晶體光纖型號為LMA-10。
[0009] 所述的一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征 在于所述的傳感頭5長度為100ym。
[0010] 所述的一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征 在于所使用的單模光纖可米用G. 652、G. 653和G. 655單模光纖；傳輸光纖2、傳輸光纖4、傳 輸光纖7的長度均為20~30cm。
[0011] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：該傳感器體積小，探頭式結(jié)構(gòu)使用方便，抗電磁干擾、耐腐蝕、 靈敏度高。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
[0013] 圖2是使用的未經(jīng)處理的光子晶體光纖的橫截面圖
[0014] 圖3是經(jīng)腐蝕處理后的光子晶體光纖的橫截面圖
[0015] 圖4是光子晶體光纖腐蝕前后的區(qū)域?qū)Ρ葓D
[0016] 圖5是傳感頭結(jié)構(gòu)以及傳感頭與傳輸光纖交界不意圖
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明：
[0018] 如圖1所示，一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器由 寬帶光源1、傳輸光纖2、環(huán)形器3、傳輸光纖4、傳感頭5、溫度控制箱6、傳輸光纖7、光譜儀 8組成。傳感頭5的制作如下：將一段光子晶體光纖的一端與傳輸光纖4用熔接機(jī)進(jìn)行不 坍塌熔接，再將光子晶體光纖的另一端垂直浸入HF酸溶液進(jìn)行腐蝕。由于毛細(xì)效應(yīng)，腐蝕 性溶液進(jìn)入光子晶體光纖的空氣孔中。經(jīng)過180秒，光子晶體光纖周期性排列的每一個(gè)圓 形空氣孔壁都經(jīng)過腐蝕而消失，使得光子晶體光纖原本由圓形空氣孔排列的六邊形區(qū)域腐 蝕成六邊形空氣孔。且由于腐蝕，空氣孔包圍的實(shí)心部分變細(xì)，形成一個(gè)直徑約為2ym的 細(xì)芯部分。腐蝕之前的光子晶體光纖端面如圖2所示，其中白色圓形小孔為空氣孔，灰色部 分為石英材料。經(jīng)腐蝕后的光子晶體光纖如圖3所示，灰色部分是石英材料，六邊形的白 色部分是經(jīng)腐蝕后形成的空氣孔，中心被周期性排列的空氣孔包圍的實(shí)心部分經(jīng)腐蝕后變 細(xì)。腐蝕前后邊界對比圖如圖4所示，從圖4可以看出，腐蝕后，六邊形空氣腔的范圍比未 腐蝕的圓形空氣孔排列所構(gòu)成的六邊形區(qū)域稍大一點(diǎn)，細(xì)芯部分比未腐蝕的圓形空氣孔圍 繞的中央部分稍小一點(diǎn)。將該經(jīng)過處理的光子晶體光纖的另一端面鍍一層薄的石墨烯膜， 再在石墨烯膜上鍍一層金膜；鍍石墨烯膜的作用是防止后續(xù)鍍金時(shí)，防止噴的金進(jìn)入空腔， 且石墨烯膜不影響光的傳輸及分布；金膜的作用是加強(qiáng)光在傳感頭端面的反射。該經(jīng)過腐 蝕處理并鍍膜的光子晶體光纖構(gòu)成傳感頭5。傳感頭5的一端通過傳輸光纖4與環(huán)形器3 的b端相連，傳感頭5置于溫度控制箱6中；環(huán)形器的a端通過傳輸光纖2與寬帶光源1相 連，環(huán)形器的c端通過傳輸光纖7與光譜儀8相連。
[0019] 本發(fā)明裝置的工作方式為：傳感頭與傳輸光纖的熔接交界面如圖5所示，傳輸光 纖是單模光纖，光主要在纖芯中傳播，纖芯直徑約為8ym。寬帶光源發(fā)出的光通過傳輸光纖 2進(jìn)入環(huán)形器a端，環(huán)形器a-b使得光單向傳輸至環(huán)形器b端，并通過傳輸光纖4進(jìn)入傳 感頭，在傳感頭與傳輸光纖熔接的交界面處，光會(huì)由于傳輸光纖纖芯與傳感頭中間的細(xì)芯 大小不匹配，導(dǎo)致一部分光進(jìn)入光子晶體光纖的空氣孔。光在傳感頭中分別沿著細(xì)芯和空 氣腔傳輸，在傳感器端面金膜處發(fā)生反射；反射光沿著細(xì)芯和空氣腔進(jìn)行反向傳輸并在傳 感頭與傳輸光纖熔接的交界面共同進(jìn)入傳輸光纖的纖芯，且由于有穩(wěn)定的光程差而發(fā)生干 涉。干涉光的信號沿著傳輸光纖4反向傳輸至環(huán)形器端口b，環(huán)形器b-c使得光單向傳輸 至環(huán)形器c端，并通過傳輸光纖7進(jìn)入光譜儀，在光譜儀上顯示出干涉光譜。
[0020] 光信號的相位公式可以用下面的公式進(jìn)行表述：
[0022] 其中n是光傳輸?shù)慕橘|(zhì)的折射率，L是光傳輸?shù)穆烦?，X是傳輸?shù)墓獾牟ㄩL。
[0023] 對于光纖邁克爾遜干涉儀，由于在端面發(fā)生的反射，光傳輸?shù)穆烦淌莾杀叮涓缮?光的相位差可以下面的公式進(jìn)行表述：
[0025] 其中neavit，11。_分別是空氣腔和細(xì)芯的折射率，是空氣腔和細(xì)芯的有 效折射率的差。
[0026] 當(dāng)外界溫度變化時(shí)，由于細(xì)芯和空氣腔對溫度變化的響應(yīng)程度不同，導(dǎo)致 (n^uy-r^jL發(fā)生改變，在光譜儀上顯示出干涉光譜的漂移。光譜的漂移量和溫度變化量 有關(guān)，所以監(jiān)測干涉光譜的變化就可以進(jìn)一步計(jì)算出該傳感器的溫度靈敏度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于由寬 帶光源1、傳輸光纖2、環(huán)形器3、傳輸光纖4、傳感頭5、溫度控制箱6、傳輸光纖7、光譜儀8 組成；經(jīng)過腐蝕并在端面鍍石墨烯膜和金膜的光子晶體光纖構(gòu)成傳感頭5,傳感頭5的一端 通過傳輸光纖4與環(huán)形器3的b端相連，傳感頭5置于溫度控制箱6中；環(huán)形器的a端通過 傳輸光纖2與寬帶光源1相連，環(huán)形器的c端通過傳輸光纖7與光譜儀8相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度 傳感器，其特征在于制作傳感頭5時(shí)需使用的光子晶體光纖型號為LMA-10。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度 傳感器，其特征在于所述的傳感頭5長度為100ym。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度 傳感器，其特征在于所使用的單模光纖可米用G. 652、G. 653和G. 655單模光纖；傳輸光纖 2、傳輸光纖4、傳輸光纖7的長度均為20~30cm。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于腐蝕處理的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：由寬帶光源1、傳輸光纖2、環(huán)形器3、傳輸光纖4、傳感頭5、溫度控制箱6、傳輸光纖7、光譜儀8組成；經(jīng)過腐蝕并在端面鍍石墨烯膜和金膜的光子晶體光纖構(gòu)成傳感頭5，傳感頭5的一端通過傳輸光纖4與環(huán)形器3的b端相連，傳感頭5置于溫度控制箱6中；環(huán)形器的a端通過傳輸光纖2與寬帶光源1相連，環(huán)形器的c端通過傳輸光纖7與光譜儀8相連。本發(fā)明體積小，探頭式結(jié)構(gòu)使用方便，抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高。
【IPC分類】G01K11/32
【公開號】CN104897302
【申請?zhí)枴緾N201510353358
【發(fā)明人】王東寧, 倪凱, 黃然, 馬啟飛
【申請人】中國計(jì)量學(xué)院
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年6月19日