[发明专利]微光纤法-珀微腔传感器及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及到一种基于微光纤熔接制作的光纤法珀(F-P)微腔传感器及制作方法。

背景介绍

随着环境、能源、生物、医学、国防科技等领域的快速发展，人们对传感器的微型化、轻量化、忍耐恶劣环境的追求动力十足，研究开发新型的微型传感器是现在传感领域的热门。具有抗电磁干扰、耐腐蚀、易复用、灵敏度高、测量范围大等优点的光纤传感器得到迅速发展。

光纤法布里-珀罗(F-P)干涉仪是一种重要的光纤感测器件，光束从F-P腔两个端面反射形成干涉，其干涉谱为腔长和腔内折射率的函数。当外界因素引起腔长或者腔内折射率变化时，其干涉谱会因相位的改变而产生移动。通过探测干涉信号的相位移动，可解调出环境参量(引起相位改变的外界因素)的数值及其性质的细致信息。浓度、折射率的测量对于化学、生物及医疗等领域应用十分广泛，许多物质的性质可通过测量其折射率加以确定。应力、应变、位移、弯曲等参数的检测，在高楼、桥梁、隧道、水坝等大型建筑的结构健康监测及预警领域具有非常重要的意义。

目前，制作光纤F-P干涉仪的方法主要如下：

1、端面镀膜法：将一段光纤焊接在两个镀有高反射膜光纤的中间形成F-P腔；

2、光栅成腔法：在光纤中写入两个完全相同的光纤布喇格光栅形成F-P腔；

3、气泡成腔法：利用化学蚀刻与熔接相结合技术，在光纤中形成空气泡形成F-P腔；

4、飞秒刻蚀法：利用飞秒激光脉冲在光纤表面或内部刻蚀空腔形成F-P腔等；

5、空心光纤法：将空心光纤或微结构光纤(包括光子晶体光纤)与常规光纤熔接形成F-P腔。

对于上述制作方法，由于制作系统及工艺技术要求很高，导致光纤F-P干涉仪制作成本较高，F-P腔质量易受加工技术的影响，因此使光纤F-P干涉仪在工程应用中受到很大限制。

发明内容

本发明提供一种高灵敏度、制作简便、集成微型、成本低廉、适用性强的微光纤F-P微腔传感器及其制作方法，我们称之为微光纤法；基于微光纤熔接制作的光纤F-P微腔传感器称之为微光纤F-P微腔传感器。

微光纤F-P微腔传感器的特征是：通过把一段微光纤按照特定几何方位熔接于单模光纤中间作为支撑臂，微光纤支撑的两个平行光纤端面形成一个端面纤芯完全裸露且横截面为偏心的开放式圆环F-P微腔。作为支撑臂的微光纤直径d满足d＜b-a，其中a、b分别为单模光纤的纤芯半径和包层半径。

微光纤F-P微腔传感器的制作方法如下：1)将普通单模光纤进行拉锥形成设定直径d的微光纤；2)将切断的微光纤端面与单模光纤按照设定的几何方位进行熔接；3)在精密微位移装置控制下，将熔接的微光纤按设定腔长L沿其轴向垂直方向切断；4)将切断的微光纤端面再与单模光纤按设定方位进行熔接，从而形成微光纤F-P传感器。制作过程的要求：一是步骤2)、4)的熔接保证单模光纤端面不变形；二是步骤2)的熔接保证微光纤与单模光纤纤芯不交叠。

本发明的技术效果是：微光纤F-P微腔传感器除具有高灵敏度、制作简便、集成微型、成本低廉、适用性强等优势之外，更重要的是对折射率(或浓度)、轴向负载(应力或应变)非常敏感以及极低的温度灵敏度。在1.332-1.383折射率和0-0.23N应力范围内，该传感器具有良好的线性传感特性，折射率和应变灵敏度分别达到1184.68nm/RIU和38.5nm/N。同时，在20-80℃温度范围内，该传感器干涉峰对应的波长温度响应小于0.2nm。

附图说明

图1为腔长173μm的光纤F-P微腔传感器实物结构图。其中，图1(a)为传感器侧视图和俯视图，图1(b)为微光纤与单模光纤熔接的几何方位图；

图2为图1所示的微光纤F-P微腔传感器在空气和不同折射率熔液中测量的干涉谱；

图3为腔长173μm的微光纤F-P微腔传感器折射率响应特性曲线；

图4为腔长173μm的微光纤F-P微腔传感器轴向应力响应特性曲线；

图5为腔长173μm的微光纤F-P微腔传感器温度响应特性曲线。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

这种微光纤F-P微腔传感器，即是在普通光纤1-1上熔接一段微光纤1-3，从而形成一个端面纤芯完全裸露且横截面为偏心的开放式圆环F-P微腔(干涉腔)1-2。作为微腔支撑臂的微光纤直径d满足d＜b-a，其中a、b分别为单模光纤的纤芯半径和包层半径。