[发明专利]一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器及制备方法

说明书

本发明公开了一种三包层石英基特种光纤D型微腔结构传感器及制备方法，包括光源、传感单元、光谱仪，传感单元包括入射单模光纤、具有微腔结构的三包层石英基特种光纤和出射单模光纤，具有微腔结构的三包层石英基特种光纤分别与入射单模光纤、出射单模光纤相连接，入射单模光纤的另一端与光源连接，出射单模光纤的另一端与光谱仪连接。本发明将光纤放于酒精溶液，利用其自身结构特点，对酒精溶液进行吸附；将浸泡后的光纤与普通商光纤熔接机进行手动熔接，并通过控制熔接参数与熔接次数控制微腔的大小。本发明制作的微腔结构传感器结构紧凑、制备简单，可应用于温度、压强以及应力等传感领域。

技术领域

本发明属于光纤技术领域，尤其涉及一种特种光纤微腔结构传感器及其制备方法。

背景技术

自上世纪70年代以来，光纤传感器以其独特的优势引起众多研究者的关注。光纤传感器突出优势体现在：灵敏度高、动态范围大、响应速度快、微米尺寸、生物兼容性好、机械强度高且成本低廉。而近年来，采用微腔结构的光纤传感器广泛应用在工业生产、生物医学、航空航天等领域，并实现了温度、压力、应变和折射率等物理参量的测量。微腔结构主要分为空气微腔、实体微腔及液体填充微腔。光纤空气微腔主要有开放空气微腔和封闭空气微腔两种形式。

微腔结构加工技术主要有化学腐蚀、光纤熔接、飞秒激光微加工、微加工与热加工组合及电机放电加工等技术。化学腐蚀利用氢氟酸与石英材料或石英材料的化学反应，从而在光纤末端腐蚀出微腔，其可操作性差、可重复性低且安全系数低；飞秒激光微加工通过使用高精密的位移定位平台，对空气微腔结构参数精确控制，但其制备系统庞大，价格昂贵；而本发明的制作方法是基于特种光纤熔接的基础上与电机放电加工技术相结合，简化了其微腔结构传感器制作的工艺复杂度，提高了其稳定性以及降低其制作成本，实现了在简化其工艺的基础上，实现高性能和低损耗的光纤传感器。

发明内容

本发明针对传统制作微腔结构技术的不足，提出一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器及制备方法，利用酒精受热气化及高温分解在光纤熔接处形成微腔结构，以实现更高灵敏度与更大范围的参数传感。

为实现上述目的，本发明主要包括宽带光源、传感单元以及光谱仪，所述传感单元包括入射单模光纤、具有微腔结构的三包层石英基特种光纤和出射单模光纤；所述具有微腔结构的三包层石英基特种光纤分别与入射单模光纤、出射单模光纤一端相连接，入射单模光纤的另一端与宽带光源连接，出射单模光纤的另一端与光谱仪连接。

进一步的，所述具有微腔结构的三包层石英基特种光纤从内之外依次为TCQSF纤芯、TCQSF内包层、TCQSF环形空气孔层和TCQSF外包层。

进一步的，所述具有微腔结构的三包层石英基特种光纤一端经酒精浸泡后与入射单模光纤熔接后形成D型微腔结构。

进一步的，所述入射单模光纤、出射单模光纤的纤芯半径均为4.5μm、包层半径均为62.5μm；三包层石英基特种光纤纤芯半径为4.27μm，掺氟内包层半径为13.2μm，环形空气孔层半径为22.8μm，外包层半径为62.5μm。

进一步的，所述三包层石英基特种光纤微腔结构的长度范围为18.89-107.56μm。

一种三包层石英基特种光纤微腔结构传感器的制备方法，步骤如下：

步骤1，在室温为20℃-30℃温度下，将经过切割的、长度为L(L≥10mm)的三包层石英基特种光纤(TCQSF)的一端浸入到酒精溶液中，浸入长度为10mm，浸泡时间15-45分钟；由于TCQSF结构特点，浸泡后的TCQSF环形空气孔层有酒精溶液的浸入；

步骤2，采用普通商用光纤熔接机，对浸有酒精溶液的三包层石英基特种光纤与入射单模光纤进行放电熔接，放电电流强度为85mA，时间为0.3s，推进量为6μm，放电次数为1次，形成初始微腔结构；