一種基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供了基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 馬赫曾德干涉儀廣泛應(yīng)用于傳感領(lǐng)域中，它是運(yùn)用雙光束干涉原理制作而成。傳 統(tǒng)的馬赫曾德干涉儀需要兩根長度相同的單模光纖，除了需要測量的物理量以外容易受到 如濕度等其他物理量的影響。由此可見，傳統(tǒng)的馬赫曾德干涉儀制作困難。于是，全光纖馬 赫曾德干涉儀被提出來。目前的全光纖馬赫曾德干涉儀主要是基于FBG，LPFG，PCF，光纖拉 椎，光纖錯位連接等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，雖然靈敏度很高，但是這些馬赫曾德干涉儀構(gòu)成的溫度傳感 器尺寸大，不易于重復(fù)利用。為了解決以上的問題，一種新型的全光纖馬赫曾德干涉儀被提 出，這種溫度傳感器的制作使用到了飛秒激光器，飛秒激光器用于精密微納加工，它在與物 質(zhì)相互作用時，可實現(xiàn)超高分辨率，超高精度，從而達(dá)到納米尺度的加工制造。這種全光纖 的馬赫曾德干涉儀具有靈敏度高，結(jié)構(gòu)微小等優(yōu)點。
[0003] 基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器中的空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)使得原來僅在纖 芯中傳輸?shù)墓夥謩e以纖芯模和空氣環(huán)腔模的形式進(jìn)行傳輸并發(fā)生干涉。當(dāng)使用該傳感器對 外界環(huán)境溫度進(jìn)行測量時，每次改變溫度都會使干涉條紋發(fā)生漂移。這是由于空氣環(huán)腔模 和纖芯模對溫度變化的響應(yīng)程度不同，從而導(dǎo)致原來的光程差發(fā)生改變。隨著光程差的改 變，干涉條紋就會有所改變。當(dāng)溫度經(jīng)過一系列的變化之后，即可以在光譜儀上觀察到與之 相對應(yīng)的一系列的干涉條紋。在干涉條紋的某些特征位置，比如干涉峰或干涉谷，可以看到 極值所位于的波長發(fā)生漂移，通過監(jiān)測干涉光譜的漂移量可以實現(xiàn)溫度測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器。該裝置 能夠?qū)⒋郎y溫度的變化量轉(zhuǎn)化為探測信號的波長漂移量。具有高靈敏度，結(jié)構(gòu)微小，易于重 復(fù)使用等優(yōu)點。
[0005] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0006] 一種基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器，由入射光纖（1)、空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu) (2)、出射光纖（3)組成；空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)的兩端分別與入射光纖（1)和出射光纖（3)相 連接；入射光纖（1)和空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)與出射光纖（3)共同構(gòu)成全光纖馬赫曾德干涉儀。
[0007] 所述的一種基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器，其特征在于：入射光纖 (1)、出射光纖（3)均可采用G. 652單模光纖，入射光纖（1)和出射光纖（5)長度為20~ 40cm〇
[0008] 所述的一種基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器，其特征在于：空氣環(huán)腔 結(jié)構(gòu)（2)所使用的光纖為可采用G. 652單模光纖，長度為50um~100um，空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2) 的環(huán)腔外圓半徑為4um~7um，內(nèi)圓半徑為2um~5um〇
[0009] 本發(fā)明的工作原理是：當(dāng)寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過入射光纖到達(dá)空氣環(huán)腔時，由于 入射光纖的纖芯直徑比空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)的這段光纖的纖芯直徑粗。這樣原本在纖芯中傳輸?shù)?光被分成兩部分，有一部分光進(jìn)入空氣環(huán)腔中，另一部分光將繼續(xù)沿著纖芯傳輸，當(dāng)?shù)竭_(dá)空 氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)終點時，在空氣環(huán)腔中傳輸?shù)墓鈱⑴c在纖芯中傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉，最后經(jīng)過出 射光纖到達(dá)光譜儀。
[0010] 其中纖芯與空氣環(huán)腔之間傳輸?shù)墓獍l(fā)生了干涉，簡單地說，纖芯和空氣環(huán)腔之間 的干涉可以用已知的公式得：
[0011]
[0012] 其中UFp I Cavity分別是從纖芯和空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)中傳出光的光強(qiáng)，λ為入射光波 長，L是空氣環(huán)腔的長度，
：是纖芯模與空氣環(huán)腔模之間的有效折射率差，灼是 干涉的初始相位。由于L是常數(shù)，那么這個馬赫曾德干涉儀的溫度靈敏度的公式為
[0013]
[0014] 其_
分別是纖芯和空氣介質(zhì)折射率的溫度系數(shù)，不同 的溫度下空氣環(huán)腔的有效折射率保持不變，因此纖芯折射率的溫度系數(shù)決定了馬赫曾德干 涉儀的溫度靈敏度。
[0015] 當(dāng)使用該傳感器對外界溫度進(jìn)行測量時，每次改變外界溫度，由于空氣環(huán)腔模和 纖芯模對溫度的響應(yīng)程度不同，使得空氣環(huán)腔模與纖芯模的光程差發(fā)生改變，從而改變了 空氣環(huán)腔模與纖芯模之間的相位差，干涉條紋發(fā)生漂移，通過監(jiān)測干涉光譜波長漂移量可 以還原待測信號。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是：該溫度傳感器是基于空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)連馬赫-曾德干涉 儀制作而成的。纖芯中傳輸?shù)墓獗环殖蓛刹糠?，一部分光進(jìn)入空氣環(huán)腔，另一部分光將繼續(xù) 沿著燒損的纖芯傳輸，當(dāng)?shù)竭_(dá)空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)終點時，在空氣環(huán)腔中傳輸?shù)墓鈱⑴c在纖芯中 傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉。當(dāng)改變傳感器的外界溫度時，對應(yīng)的干涉光譜將會漂移。該傳感器采 用內(nèi)連的馬赫-曾德干涉儀，穩(wěn)定性更好，靈敏度更高，并且不易受到外界折射率變化的影 響。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明的基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器示意圖；
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖及實施實例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0019] 參見附圖1，一種基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器，由入射光纖（1)、 空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)、出射光纖（3)組成；空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)的兩端分別與入射光纖（1)和出 射光纖（3)相連接；入射光纖（1)與空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)與出射光纖（3)構(gòu)成全光纖馬赫曾 德干涉儀?？諝猸h(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)的制作過程如下：用飛秒激光器在光纖端面進(jìn)行打孔，將激光 光斑直徑調(diào)到2um左右，在包層里沿著纖芯打一圈小孔，每個小孔之間有交叉。同時調(diào)節(jié)飛 秒激光器的強(qiáng)度和聚焦點遠(yuǎn)近從而控制小孔的深度。因此，在纖芯與包層交界處形成環(huán)形 空氣腔。打完孔后，由于環(huán)形空氣腔的內(nèi)表面不夠光滑，于是使用HF腐蝕光纖，使其平滑。 接著將空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)的端面分別與入射光纖（1)和出射光纖（3)相連。
[0020] 本發(fā)明裝置的工作方式為：將溫度傳感器的一端接寬帶光源，另一端接光譜儀。 當(dāng)寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖到達(dá)空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)時，原本在纖芯中傳輸?shù)墓獗环譃閮刹?分，一部分進(jìn)入空氣環(huán)腔，另一部分光將繼續(xù)沿著纖芯傳輸，當(dāng)?shù)竭_(dá)空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)終點時， 在空氣環(huán)腔中傳播的光將與在燒損纖芯中傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉。當(dāng)改變傳感器的外界溫度 時，對應(yīng)的干涉光譜將會漂移，從而可以得出該傳感器的靈敏度。
【主權(quán)項】
1. 本發(fā)明提供了一種基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器，其特征在于：由入 射光纖（1)、空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)、出射光纖（3)組成；空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)的兩端分別與入射光 纖⑴和出射光纖⑶相連接；入射光纖⑴與空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)⑵與出射光纖⑶共同構(gòu) 成全光纖馬赫曾德干涉儀。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器，其特征在 于：入射光纖（1)、出射光纖（3)均可采用G. 652單模光纖，入射光纖（1)和出射光纖（3)長 度為20~40cm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器，其特征在 于：空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)所使用的光纖可采用G. 652單模光纖，長度為50um~100um，空氣環(huán) 腔結(jié)構(gòu)⑵的環(huán)腔外圓半徑為4um~7um，內(nèi)圓半徑為2um~5um〇
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于飛秒激光器的光纖空氣環(huán)腔溫度傳感器，其特征在于：由入射光纖(1)、空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)(2)、出射光纖(3)組成；空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)(2)的兩端分別與入射光纖(1)和出射光纖(3)相連接；入射光纖(1)與空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)(2)與出射光纖(3)共同構(gòu)成全光纖馬赫曾德干涉儀；本發(fā)明靈敏度高，結(jié)構(gòu)微小，可以應(yīng)用于各種高溫測量的實際工程中。
【IPC分類】G01K11/32
【公開號】CN105136336
【申請?zhí)枴緾N201510217598
【發(fā)明人】倪凱, 馬啟飛, 黃然
【申請人】中國計量學(xué)院
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年4月30日