[发明专利]一种空气微腔式光纤水听器及制作方法和信号检测方法

说明书

本发明公开了一种空气微腔式光纤水听器及制作方法和信号检测方法，其中，水听器由光纤以及光纤端面的空气微腔组成，空气微腔作为可压缩的法布里‑珀罗腔，感知外界压力改变引起的微腔长度或反射光干涉谱变化，实现声波以及超声波测量。本发明的空气微腔式光纤水听器制作方法简单，通过对镀有光吸收材料的光纤端面光学加热，使水汽化并在光纤端面形成空气微腔，一方面避免了复杂的光纤法布里‑珀罗腔结构制作和压力敏感薄膜焊接等工艺；另一方面以调节加热激光功率方式，实现对腔长的精确在线控制，克服了传统制作方法器件结构参数重复性不足的问题，并在单个传感器上实现测量范围及工作频带的动态调谐，提高传感器的适用性。

技术领域

本发明涉及压力测量装置技术领域，具体涉及一种空气微腔式光纤水听器及制作方法和信号检测方法。

背景技术

光纤法布里-珀罗光纤传感器结构简单、检测准确，是现有光纤水听器常见的一种，通常包括由光纤端面和膜片端面构成法布里-珀罗腔，当外界压力作用于法布里-珀罗腔内的弹性膜片上时，膜片发生形变，从而改变法布里-珀罗腔的腔长，通过检测腔长变化所引起的反射光干涉谱变化，便可以实现声波以及超声波的测量。因此目前大部分光纤法布里-珀罗水听器基于探测压力引起的弹性膜片形变(发明专利CN103091013，“微型SU-8光纤法布里-玻罗压力传感器以及制备方法”；发明专利CN101858809，“一种光纤法布里-玻罗压力传感器以及制备方法”；发明专利CN102384809，“无胶封装的高稳定性法布里-玻压力传感器以及制备方法”)，其结构制作通常包括在微小的光纤端面制作空心腔体并粘接微米甚至纳米厚度的膜片，过程较为复杂，对工艺要求较高；同时受限于加工精度，传感器如腔长、膜厚等结构参数的重复性难以得到保证；另一方面，传统光纤压力传感器的动态范围以及工作频带取决于其结构参数，单一结构的传感器具有其特定的适用范围，因此通常需要不同结构参数的器件交替使用以实现对不同强度以及频率范围信号的准确探测，降低了传感器的适用性以及灵活性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种空气微腔式光纤水听器及制作方法和信号检测方法，通过光学加热直接在光纤端面产生空气微腔，实现制作简单、重复性好的高灵敏度的声波探测，该传感器同时具有动态范围、工作频带动态可调谐的特性。

根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种空气微腔式光纤水听器，所述的水听器包括端面镀有光吸收材料的光纤以及位于光纤端面的空气微腔；所述的光纤浸入液体中，用于传导产生空气微腔所需的加热光以及传感器信号解调光；所述的空气微腔作为可压缩的法布里-珀罗腔，用于探测声波以及超声波信号，其中，光纤端面与空气微腔、空气微腔与液体的界面分别为法布里-珀罗腔的两个反射面。

进一步地，所述的空气微腔用光学加热手段直接在光纤端面生成，其生成过程具体如下：光纤端面涂覆的光吸收材料，吸收加热光后温度升高，使光纤端面附近液体发生汽化，形成附着于光纤端面的空气微腔。

进一步地，所述的空气微腔的直径大小通过调节加热光功率和加热时间参数控制。

进一步地，所述的光纤端面涂覆的光吸收材料为石墨烯或碳纳米管材料，也可以是金或者银薄膜或者纳米颗粒；所述的加热光的光源，可以为连续或脉冲调制光，可以为宽带或者窄带，波长范围包括可见到红外光波段。

进一步地，所述的空气微腔产生的液体环境是水、不同粘度或者化学特性的溶剂。

进一步地，所述的空气微腔的直径大小可在微米到几百微米范围内进行调节，通过在光谱仪的监测下，根据所述的空气微腔两个界面反射光的干涉谱计算腔长并调节加热光的光功率与加热时间，控制空气微腔的生长或者收缩过程至空气微腔的直径合适。

根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种空气微腔式光纤水听器的制作方法，所述的制作方法包括以下步骤：

通过光纤切割刀在传输光纤一端制作光滑平整的端面；