[发明专利]一体成型光纤微传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种一体成型光纤微传感器及其制作方法，属于微型传感器技术领域。

背景技术

光纤传感器具有非常广阔应用背景，平面波导和光纤的耦合是一种相位匹配的共振模式。这种耦合模式能够灵敏的感应平面波导表面特性的变化，从而透射传输谱线显示的共振波长和耦合效率发生改变，达到测试的目的。这种传感器可用于折射率，应力，温度和湿度等的检测，具有广泛的传感测试应用性。

通常平面波导(planar/slab waveguide)耦合光纤传感器是一种组装结构，包括平面波导的选择制备，光纤的侧边抛磨或腐蚀以及两者间的组装。可以选择不同折射率、厚度、长度的平面波导；抛磨或腐蚀光纤获得合适的深度和良好的粗糙度。这些参数将直接影响传感器的共振波长，自由光谱范围，线宽和灵敏度等。这种平面波导与光纤耦合实现的共振透射谱线最初是被应用于宽带滤波器上的。因为其结构是组装形成的，所以平面波导的制作具有较大灵活性，可根据实验需要和理论计算给出最优选择参数；但是其组装结构的制作过程相对复杂和附加操作程序较多，而且测得的透射谱线形状较不规则，从而引起传感器的稳定性相对较差，在实际应用中易受外界因素的干扰。

发明内容

本发明的目的是为解决基于组装技术的平面波导耦合光纤传感器稳定性差，易受外界干扰，制作复杂的缺点，提出一种一体成型的光纤微传感器及其制作方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一体成型光纤微传感器，其结构为：在光纤某个部位的去除涂覆层的侧面加工出一定宽度的凹槽。凹槽的深度略小于该侧表面到纤芯的距离以保证纤芯的完整性；凹槽的底面为折射率均匀增大的烧蚀界面薄层。该烧蚀界面薄层为类似于平面波导的全新传感结构，并且谐振透射谱线的形成主要依赖于该传感结构。

所述的凹槽的深度使得烧蚀成型的凹槽底面薄层与纤芯和包层界面处形成的倏逝波(即纤芯和包层界面处存在的强度在径向呈指数衰减的近场驻波)重叠，并且经飞秒激光烧蚀的凹槽底面薄层的折射率均匀增大，达到光在光纤内传播模式的有效折射率，使得凹槽底面薄层形成的传感结构和纤芯能够发生相位匹配耦合，达到较优的传感效果。

本发明的一体成型光纤微传感器的工作过程为：光纤的一端为光源输入端，连接可调谐激光器；另一端为传感信号检测端，连接功率计，用于检测输出光的变化情况。一定波段的光入射到光纤后，某些波长的光在满足传感结构和光纤传输模式的相位匹配后，在烧蚀区域的纤芯与传感结构间发生共振耦合，这些波长的光便从纤芯传输到传感结构中，并在其内部散射传输损失。在除去传感器凹槽处倏逝波能量散射造成的背景损失后，检测端将测得耦合谐振波长的光功率损失值，且其中存在一个或多个中央谐振损失值即最大衰减值。背景损失与最大衰减值的差被称为衰减峰差值。当外界因素如覆盖物，温度，湿度，应力等改变了传感结构的有效折射率时，纤芯与传感结构的耦合模式也将随之改变，从而导致谐振波长和功率损失值发生变化。在测试端将测出中央谐振波长和功率损失漂移值，将实验数据作整理分析和标定后，得到反馈外界因素变化的参数，从而达到传感效果。

本发明的一体成型光纤微传感器的制作方法为：

步骤1，根据测试需求设计光纤凹槽的长度；

步骤2，根据步骤1所设计光纤凹槽的长度，在所需部位去除光纤涂覆层；

步骤3，采用飞秒激光脉冲加工凹槽，并在整个过程采用吹气方法去除烧蚀碎末以保证加工效果；

选择合适的脉冲能量、数值孔径、加工速率和步长参数，在剥去光纤涂覆层的部位烧蚀出所设计长度的凹槽；用飞秒激光多次重复扫描烧蚀的凹槽底面，直到获得一个衰减峰差较好的透射谱线时停止加工，得到的凹槽底面为折射率呈均匀变化的平面薄层，即传感结构。

有益效果

本发明设计了一种一体成型且结构简单的高灵敏度新型微传感器。该微传感器采用飞秒激光技术直接在光纤上加工形成新型凹槽传感结构，使凹槽传感结构和纤芯满足相位匹配条件，实现一定波长光的共振耦合。凹槽传感结构上的有效折射率的改变可使耦合的共振波长和耦合效率发生变化，从而引起透射传输谱线的变化。引起传感结构有效折射率变化的因素除外界环境折射率外，还有温度，湿度，应力等。