[发明专利]基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于标尺效应的级联光纤F-P（Fabry-Perot，法布里-珀罗）微腔温度传感器及其制备方法，属于光纤器件领域。

背景技术

自上世纪70年代以来，光纤传感领域发展迅速。光纤及光纤器件是光纤传感的传输媒介，其发展程度的高低在很大程度上决定着光纤传感领域的发展。光纤传感器抗干扰能力强、绝缘性好、安全度高、灵敏度高、重量轻、体积小而且易于集成，因而在很多行业比如能源石化、资源勘探、生物医疗等领域均有着广阔的应用前景。随着光纤传感领域的快速发展，对光纤器件的要求也越来越高，具有微尺寸、高灵敏度、快速响应等优势的新型光纤器件逐渐成为研究的热点。近年来，随着各种微加工技术不断成熟，基于光纤端面、光纤表面和光纤内部而进行的微结构制备得到了大力发展，极大地推动各种新型光纤微传感器在传感方面的应用。F-P腔以及基于F-P腔的各种传感器已经被广泛的应用，但是用飞秒脉冲激光在光纤内部制备F-P微腔以及基于F-P微腔的复合传感器应用很少。使用飞秒激光器在单模光纤内部刻写级联F-P微腔，利用标尺效应，可以实现比普通F-P腔更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的传感，再加以改进工艺以实现低损耗和高性能传感，可以应用在温度测量领域，这将在大型系统故障监控和健康监测等领域有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有单模光纤F-P腔以及单个F-P微腔传感存在的不足，提供一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器及其制备方法，以实现更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的温度传感，这将在大型系统故障监控和健康监测等领域有广泛的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器，包括一根单模光纤和在其内部的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜形成第一F-P微腔，所述第二反射镜和所述第三反射镜形成第二F-P微腔；所述第一反射镜、所述第二反射镜以及所述第三反射镜是分别通过飞秒脉冲激光沿所述单模光纤内部纤芯的径向改变光纤的纤芯区域折射率形成的反射面；所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的距离L₁、所述第二反射镜和所述第三反射镜之间的距离L₂的范围均为50~6000μm，但是这两个距离并不相同，一般取L₁为L₂的2倍。

一种基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器的制备方法，用于制备基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器，通过计算机控制，采用飞秒激光刻写，本方法操作步骤如下：

1）取一根单模光纤，剥掉该单模光纤中间部分长度3cm的涂覆层； 

2）将剥掉了涂覆层的所述单模光纤置于三维移动平台上，使所述单模光纤轴向垂直于飞秒脉冲激光光束的传输方向；通过显微镜观察并调整所述单模光纤的位置，使飞秒脉冲激光器输出的飞秒脉冲激光光束通过显微镜的物镜聚焦于所述单模光纤的中心，用飞秒脉冲激光在单模光纤内部刻写级联F-P微腔；

3）沿所述单模光纤的径向移动所述三维平台，移动距离不小于所述单模光纤纤芯直径的二倍，使飞秒脉冲激光能完全刻写所述单模光纤的纤芯，所述三维平台移动速度为0.8μm/s~1μm/s，至此，第一反射镜制备完成； 

4）控制所述三维平台沿所述单模光纤的轴向向单模光纤的另一端移动所需的腔长的距离L₁，重复步骤3）的操作，完成第二反射镜的制备；

5）控制所述三维平台沿所述单模光纤的轴向继续向前移动另一个所需的腔长的距离L₂，此处，L₂和L₁不相等，一般可取L₁为L₂的2倍，重复步骤3）的操作，完成第三反射镜的制备；至此，基于标尺效应的级联光纤F-P微腔温度传感器制备完成。

本发明与现有技术相比较，具有如下实质性特点和显著优点：

（1）    本发明可以实现比普通F-P腔以及单个F-P微腔更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的传感，可实现微尺寸、高灵敏度、抗电磁干扰和快响应速度的微量检测；

（2） 所发明的器件结构简单，性能稳定可靠，并可以根据需求，制备不同腔长、不同反射系数的光纤内部反射镜的器件；