一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于外界環(huán)境折射率、氣體濃度等傳感測(cè)量的孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器。一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器，傳感器是由光源、單模光纖、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖、單模光纖、探測(cè)器依次相連而成；孔助雙芯光纖包層一側(cè)有一個(gè)大尺寸空氣孔，光纖的一個(gè)纖芯位于包層的中心，另一纖芯位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個(gè)纖芯最近的位置；雙芯光纖兩個(gè)纖芯間距離小于12微米或大于25微米。利用孔助雙芯光纖作為傳感探頭部分，由于孔助雙芯光纖具有大尺寸空氣孔，偏心纖芯易于裸露出來(lái)，加工成本低，制作工藝簡(jiǎn)單，對(duì)裸露的偏心纖芯進(jìn)行表面化學(xué)修飾和物理改變都非常方便。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于外界環(huán)境折射率、氣體濃度等傳感測(cè)量的孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、尺寸小、輕巧柔軟，用一根光纖可以測(cè)量結(jié)構(gòu)上空間多點(diǎn)或者無(wú)限多自由度的參數(shù)，結(jié)合時(shí)分復(fù)用和波分復(fù)用技術(shù)，非常適于作為分布式傳感元件埋入材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部或貼裝在其表面實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè);光纖傳感器因其所具有的諸多優(yōu)點(diǎn)而成為結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和光纖技術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
[0003]隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型結(jié)構(gòu)光纖也不斷涌現(xiàn)。為了解決降低光纖光纜的制造成本和開(kāi)發(fā)高密集度大芯數(shù)光纜這兩大難題，S.1nao于1979年提出了多芯光纖的概念。多芯光纖傳感器由于體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，構(gòu)成材料一致，熱膨脹系數(shù)相同，對(duì)溫度表現(xiàn)出來(lái)的響應(yīng)是一樣的，因而可以避免溫度與其他物理量的交叉敏感問(wèn)題，具有自溫度補(bǔ)償?shù)戎T多的優(yōu)點(diǎn)。所以利用多芯光纖作為傳感元件的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。
[0004]雙芯光纖是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的多芯光纖。利用雙芯光纖可以實(shí)現(xiàn)定向耦合器、復(fù)用/解復(fù)用器、雙芯光纖分波/合波器、濾波器、傳感器等。普通意義的雙芯光纖是由兩個(gè)平行的纖芯和包圍這兩個(gè)纖芯的公共包層組成的無(wú)空氣孔輔助的實(shí)心光纖。利用雙芯光纖構(gòu)成的干涉型光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、制作方便。若想讓一個(gè)纖芯裸露出來(lái)，需要利用化學(xué)腐蝕或激光微加工技術(shù)。制作時(shí)需要精確控制腐蝕時(shí)間或激光能量，纖芯容易受到損壞。加工過(guò)的纖芯表面質(zhì)量很難保證，插損較大，很難再進(jìn)行表面2次處理。
[0005]本發(fā)明是用一種孔助雙芯光纖基于馬赫-曾德(M-Z)干涉機(jī)理實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。由于孔助雙芯光纖具有大尺寸空氣孔，偏心纖芯很容易裸露出來(lái)。因而且纖芯表面不受影響，器件插損小，對(duì)裸露的偏心纖芯進(jìn)行表面化學(xué)修飾和物理改變都非常方便。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]—種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器，傳感器是由光源、單模光纖、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖、單模光纖、探測(cè)器依次相連而成;孔助雙芯光纖包層一側(cè)有一個(gè)大尺寸空氣孔，光纖的一個(gè)纖芯位于包層的中心，另一纖芯位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個(gè)纖芯最近的位置;雙芯光纖兩個(gè)纖芯間距離小于12微米或大于25微米。
[0009]所述的孔助雙芯光纖空氣孔直徑20-50微米，兩個(gè)纖芯均為單模，并且兩個(gè)纖芯折射率相同。
[0010]所述的孔助雙芯光纖的兩個(gè)纖芯間距離小于12微米時(shí)，偏心纖芯的尺寸等于中心纖芯尺寸，孔助雙芯光纖與兩端單模光纖利用側(cè)向偏移技術(shù)直接進(jìn)行焊接，使兩個(gè)纖芯獲得相同的能量。
[0011]所述的孔助雙芯光纖兩個(gè)纖芯間距離大于25微米時(shí)，偏心纖芯直徑大于中心纖芯直徑，孔助雙芯光纖與兩端的單模光纖的連接，是單模光纖纖芯與雙芯光纖中心纖芯直接對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行焊接，然后在焊點(diǎn)附近利用拉錐技術(shù)，將雙芯光纖進(jìn)行拉錐實(shí)現(xiàn)兩個(gè)纖芯的分光。
[0012]所述的孔助雙芯光纖的偏心纖芯利用化學(xué)腐蝕的方法將其裸露于外界。
[0013]所述的孔助雙芯光纖的偏心纖芯利用激光微加工技術(shù)將其裸露于外界。
[0014]所述的偏心纖芯進(jìn)一步進(jìn)行表面化學(xué)修飾。[〇〇15]本發(fā)明的有益效果在于:[〇〇16]1、利用孔助雙芯光纖作為傳感探頭部分，由于孔助雙芯光纖具有大尺寸空氣孔，偏心纖芯易于裸露出來(lái)，加工成本低，制作工藝簡(jiǎn)單，對(duì)裸露的偏心纖芯進(jìn)行表面化學(xué)修飾和物理改變都非常方便。
[0017]2、孔助雙芯光纖空氣孔的隔離使裸露的纖芯表面不受破壞，表面光滑，器件插損小。
[0018]3、該干涉型光纖傳感器易于與單模光纖互聯(lián)，靈敏度高，且器件集成度高，具有溫度補(bǔ)償能力。【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是孔助雙芯光纖結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖2a是化學(xué)腐蝕后偏心纖芯露出的雙芯光纖橫截面圖；[0021 ]圖2b是利用激光微加工技術(shù)將偏心纖芯露出的雙芯光纖橫截面圖；
[0022]圖2c是利用激光微加工技術(shù)將偏心纖芯露出的雙芯光纖橫截面圖；[〇〇23]圖3是雙芯間距較小時(shí)，孔助雙芯光纖與單模光纖焊接示意圖；[〇〇24]圖4是雙芯間距較小時(shí)，孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器示意圖；[〇〇25]圖5是雙芯間距較大時(shí)，孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器示意圖；【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述:[〇〇27]本發(fā)明提供了一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器，傳感器是由光源、單模光纖、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖、單模光纖、探測(cè)器依次相連而成?？字p芯光纖包層有一個(gè)大尺寸空氣孔，光纖的一個(gè)纖芯位于包層中心，另一纖芯位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個(gè)纖芯最近的位置。當(dāng)兩個(gè)纖芯距離較近時(shí)，孔助雙芯光纖與兩端的單模光纖利用側(cè)向偏移技術(shù)直接進(jìn)行焊接使兩個(gè)纖芯獲得相同的能量；當(dāng)兩個(gè)纖芯距離較遠(yuǎn)時(shí)，則利用拉錐技術(shù)實(shí)現(xiàn)等比例分光。由于偏心空氣孔的存在，可以利用腐蝕或激光微加工技術(shù)很方便的將纖芯裸露出來(lái)，當(dāng)外界折射率發(fā)生變化時(shí)，傳感臂光程發(fā)生改變，干涉譜將發(fā)生漂移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)折射率傳感。該傳感器制作簡(jiǎn)單，易于與單模光纖互聯(lián)，靈敏度高，因兩個(gè)纖芯在一個(gè)波導(dǎo)中，器件集成度高，具有溫度補(bǔ)償能力。該器件在溶液或氣體濃度等傳感方面都將有廣泛的應(yīng)用。
[0028] —種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器是由光源、單模光纖6、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖5、單模光纖6、探測(cè)器依次相連而成?？字p芯光纖5的一個(gè)纖芯1位于包層4的中心，光纖包層4有一個(gè)大尺寸空氣孔3,另一纖芯2位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個(gè)纖芯最近的位置?？字p芯光纖空氣孔3的直徑為20-50微米，兩個(gè)纖芯1和2均為單模，兩個(gè)纖芯折射率相同?？字p芯光纖兩個(gè)纖芯間距離小于12微米時(shí)，偏心纖芯2的尺寸等于中心纖芯1的尺寸?？字p芯光纖5與兩端單模光纖6利用側(cè)向偏移技術(shù)直接進(jìn)行焊接，使兩個(gè)纖芯1和2獲得相同的能量?？字p芯光纖兩個(gè)纖芯間距離大于25微米時(shí)，為了使兩個(gè)纖芯中的模式匹配，偏心纖芯直徑大于中心纖芯直徑?？字p芯光纖與兩端的單模光纖的連接，是由單模光纖纖芯與雙芯光纖中心纖芯直接對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行焊接實(shí)現(xiàn)的。然后利用拉錐技術(shù)，將雙芯光纖在焊點(diǎn)附近進(jìn)行拉錐實(shí)現(xiàn)來(lái)兩個(gè)纖芯的分光?？字p芯光纖的偏心纖芯2可以利用化學(xué)腐蝕或激光微加工技術(shù)在空氣孔一側(cè)加工微槽7將纖芯2裸露于外界，外露的偏心纖芯可以進(jìn)一步進(jìn)行表面化學(xué)修飾。一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器，其工作原理是當(dāng)光源從單模光纖6注入，孔助雙芯光纖兩個(gè)纖芯間距離小于12微米時(shí)，在光源注入端利用側(cè)向偏移技術(shù)將兩個(gè)光纖直接進(jìn)行焊接，并通過(guò)調(diào)節(jié)單模纖芯橫向偏移量，使兩個(gè)纖芯1和2 獲得相同的能量。由于兩個(gè)纖芯1和2尺寸相同，兩個(gè)纖芯中的模式不匹配，兩個(gè)纖芯間能量相互耦合可以被忽略。在出射端利用相同的方法將孔助雙芯光纖5和單模光纖6直接焊接。 在出射單模纖6中將會(huì)發(fā)生干涉，構(gòu)成M-Z干涉儀。孔助雙芯光纖兩個(gè)纖芯間距離大于25微米時(shí)，在光源注入端，單模光纖纖芯與雙芯光纖中心纖芯直接對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行焊接，然后在焊點(diǎn)附近對(duì)雙芯光纖進(jìn)行拉錐，由于偏心纖芯直徑大于中央纖芯直徑，可以使兩個(gè)纖芯中的模式匹配，通過(guò)拉錐可以使纖芯1和2獲得相同的能量，形成干涉儀的兩個(gè)臂。由于兩個(gè)纖芯距離較遠(yuǎn)，兩個(gè)纖芯間能量相互耦合可以被忽略，在出射端利用相同的方法將孔助雙芯光纖5和單模光纖6進(jìn)行焊接。在出射單模光纖6中，也將會(huì)發(fā)生干涉，構(gòu)成M-Z干涉儀。再將單模光纖輸出光進(jìn)入探測(cè)器構(gòu)成傳感系統(tǒng)。當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，偏心干涉臂的光程會(huì)改變，探測(cè)器接收到的光譜將會(huì)發(fā)生漂移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理量的傳感測(cè)量。[〇〇29] 實(shí)施例1:
[0030] 結(jié)合圖1、圖2(a)、圖3和圖4,一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器是由光源、單模光纖6、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖5、單模光纖6、探測(cè)器依次相連而成?？字p芯光纖5的一個(gè)纖芯1位于包層4的中心，光纖包層4有一個(gè)大尺寸空氣孔3,另一纖芯2位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個(gè)纖芯最近的位置?？字p芯光纖的5空氣孔3直徑50微米，兩個(gè)纖芯1和2直徑均為9微米，芯包折射率差0.005，兩個(gè)纖芯間距11微米。在光源一側(cè)，孔助雙芯光纖5與單模光纖6利用光纖焊接機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，使單模光纖與孔助雙芯光纖中心有一定的偏移，精確調(diào)節(jié)相互間的位置，利用CCD進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使纖芯1和2具有相同的能量。在出射端利用相同的方法將孔助雙芯光纖5和單模光纖6進(jìn)行焊接。由于纖芯1和2尺寸相同，兩個(gè)纖芯中的模式不匹配，兩個(gè)纖芯間能量相互耦合可以被忽略，在出射單模光纖6中，將會(huì)發(fā)生干涉，構(gòu)成M-Z干涉儀。在出射端利用光譜儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)干涉峰對(duì)比度最大時(shí)進(jìn)行兩光纖的焊接。用氫氟酸減薄光纖直徑(圖2(a))，腐蝕包層厚度大于6微米，偏芯2即可裸露出來(lái)，構(gòu)成微槽7，腐蝕長(zhǎng)度可以是整個(gè)雙芯光纖長(zhǎng)度，也可以是部分長(zhǎng)度。另若把傳感單元置于食鹽水中，待測(cè)液體會(huì)接觸偏芯，當(dāng)食鹽水的濃度變化時(shí)，液體折射率也會(huì)變化，輸出干涉譜將發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)折射率傳感。[〇〇31] 實(shí)施例2:
[0032] 結(jié)合圖1、圖2(b)和圖5,一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器是由光源、單模光纖6、一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖5、單模光纖6、探測(cè)器依次相連而成。孔助雙芯光纖5的一個(gè)纖芯1位于包層4的中心。光纖包層4有一個(gè)大尺寸空氣孔3,另一纖芯2位于空氣孔內(nèi)壁且距離前一個(gè)纖芯最近的位置?？字p芯光纖5的空氣孔3的直徑為20微米，芯包折射率差〇.005，纖芯1和2直徑分別為8.07和12微米，兩個(gè)纖芯間距30微米?？字p芯光纖兩端的單模光纖纖芯與雙芯光纖中心纖芯直接對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行焊接，然后利用拉錐技術(shù)，將雙芯光纖在焊接點(diǎn)附近進(jìn)行拉錐，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)纖芯1和2的等比例分光，形成干涉儀的兩個(gè)臂。因兩個(gè)纖芯中的模式相互匹配，兩個(gè)纖芯中模式傳播常數(shù)相等，在錐區(qū)可以實(shí)現(xiàn)能量耦合。在非錐區(qū)兩個(gè)纖芯距離較遠(yuǎn)，相互間的耦合可以忽略。在出射端單模光纖6中，將會(huì)發(fā)生干涉，構(gòu)成M-Z干涉儀。偏芯2是利用高頻C02激光在空氣孔一側(cè)進(jìn)行切削裸露出來(lái)的(圖2(b))，構(gòu)成微槽7。若把傳感單元置于待測(cè)液體中，待測(cè)液體接觸纖芯2,液體折射率發(fā)生變化時(shí)，探測(cè)器接收到的光譜將會(huì)發(fā)生漂移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理量的傳感測(cè)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器，其特征在于:傳感器是由光源、單模光纖、 一段具有大直徑空氣孔的孔助雙芯光纖、單模光纖、探測(cè)器依次相連而成;孔助雙芯光纖包 層一側(cè)有一個(gè)大尺寸空氣孔，光纖的一個(gè)纖芯位于包層的中心，另一纖芯位于空氣孔內(nèi)壁 且距離前一個(gè)纖芯最近的位置;雙芯光纖兩個(gè)纖芯間距離小于12微米或大于25微米。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器，其特征在于:所述的 孔助雙芯光纖空氣孔直徑20-50微米，兩個(gè)纖芯均為單模，并且兩個(gè)纖芯折射率相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器，其特征在于:所述的 孔助雙芯光纖的兩個(gè)纖芯間距離小于12微米時(shí)，偏心纖芯的尺寸等于中心纖芯尺寸，孔助 雙芯光纖與兩端單模光纖利用側(cè)向偏移技術(shù)直接進(jìn)行焊接，使兩個(gè)纖芯獲得相同的能量。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器，其特征在于:所述的 孔助雙芯光纖兩個(gè)纖芯間距離大于25微米時(shí)，偏心纖芯直徑大于中心纖芯直徑，孔助雙芯 光纖與兩端的單模光纖的連接，是單模光纖纖芯與雙芯光纖中心纖芯直接對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行焊接， 然后在焊點(diǎn)附近利用拉錐技術(shù)，將雙芯光纖進(jìn)行拉錐實(shí)現(xiàn)兩個(gè)纖芯的分光。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器，其特征在于:所述的 孔助雙芯光纖的偏心纖芯利用化學(xué)腐蝕的方法將其裸露于外界。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器，其特征在于:所述的 孔助雙芯光纖的偏心纖芯利用激光微加工技術(shù)將其裸露于外界。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種孔助雙芯光纖干涉型折射率傳感器，其特征在于:所述的 偏心纖芯進(jìn)一步進(jìn)行表面化學(xué)修飾。
【文檔編號(hào)】G01N21/45GK105954235SQ201610265814
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月26日
【發(fā)明人】關(guān)春穎, 楊菁, 付佳楠, 陸永嬌, 苑立波
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)