[发明专利]基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件及其制造方法

说明书

本发明提出一种基于光纤熔锥的本征型法布里‑珀罗拉力传感器件及其制造方法。该器件通过飞秒脉冲激光器在光纤熔锥的锥腰内部刻写两个折射率改变区域形成反射镜面，通过改变光纤熔锥锥腰直径来获取不同的拉力传感灵敏度。当传感器件受到外界拉力时，光纤熔锥本征型法布里‑珀罗传感器的腔长、纤芯直径和纤芯折射率都会发生微小变化，使得光纤本征型法布里‑珀罗传感器的光程差发生变化，从而导致反射谱发生漂移以观察外界拉力变化。本器件将光纤熔锥的细直锥腰特性和光纤本征型法布里‑珀罗高分辨率传感特性相结合，不仅提高了光纤传感器件的传感灵敏度、分辨率、响应速度和可靠性并且具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于光纤器件制作领域，具体涉及一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件及其制造方法。

背景技术

近年来，光纤应力传感器被广泛应用于水坝、隧道、大跨度桥梁等重大建筑的安全健康检测中，同时，对此类重大建筑进行可靠的安全性检测具有很大的难度。作为对大型建筑安全性测量的重要参数，其高灵敏度测量一直是光纤器件制作领域的一个难点，主要因素在于：光纤应力传感器具有制作工艺较为复杂、尺寸较大、成本高、光纤灵敏度较低等问题。因此，基于马赫-曾德尔干涉仪以及基于光子晶体光纤的光纤应力传感器相对制作工艺简单、尺寸小、成本低、灵敏度高。

传统基于光纤布拉格光栅的应变传感器存在光纤灵敏度难以提高、温漂大等问题；基于马赫-曾德尔干涉仪的应变传感器一般需要用到光纤错位焊接以及环路检测系统，加工难以控制；基于光子晶体光纤的应变传感器成本较高。作为全光纤干涉型传感器，光纤本征型法布里-珀罗器件传感器是基于单根光纤双光束干涉来实现测量。当外界环境如温度、折射率、应力、应变和磁场等因素发生变化时，光束的相位发生变化。相比其他类型的光纤传感器件，光纤本征型法布里-珀罗器件具有分辨率高、易检测、复用能力强、抗干扰能力强等优点。随着飞秒激光技术的出现和发展，超短激光脉冲和高峰值强度的优势使其在微加工领域得到了广泛的应用。飞秒激光光束聚焦在光纤纤芯上进行微加工时，可以精准控制加工位置和区域，并且加工区域很小，可大大优化光纤本征型法布里-珀罗器件传感器的性能。同时，光纤熔锥作为一种重要基础光纤器件，其具有特殊的锥形波导结构和锥腰细直特性，当锥腰直径足够小时，应力传感灵敏度将显著提升。

发明内容

本发明的目的在于提高光纤本征型法布里-珀罗器件的应力传感灵敏度，提供一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件及其制造方法。本发明结合了光纤熔锥的细直锥腰特性，在拉力作用下利用光纤法布里-珀罗腔的反射谱波峰易监测特性和谐振峰偏移易检测特性，进一步提高了光纤传感器件的传感灵敏度、可靠性及应用范围。

本发明是采用下述技术方案实现的：

一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件，包括单模光纤，通过加热熔融单模光纤拉制出光纤熔锥，光纤熔锥中部为锥腰，锥腰两侧通过对称的过渡区域连接单模光纤；通过飞秒激光在锥腰刻写两个折射率改变区域，形成光纤本征型法布里-珀罗拉力传感器的两个反射镜。

利用飞秒激光在锥腰的直径范围为50-125μm处刻写两个反射镜，两个反射镜间的距离范围为100-600μm，在该器件下的拉力传感特性与锥腰直径相关。

一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件的制造方法，用于制作上述的基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件，操作步骤如下：

1）光纤熔锥制备：在拉制前，截取适当长度的单模光纤，在单模光纤中间剥去2cm左右的涂覆层，并用无水乙醇擦拭干净；接着将单模光纤放置在光纤夹具中，使剥去涂覆层的光纤处于光纤夹具的中间，并在夹具两边放置各一段与预拉单模光纤平行的普通单模光纤以固定预拉单模光纤；最后通过程序控制拉伸速度、拉伸长度以及氢气流量，得到光纤熔锥；