[发明专利]一种基于光纤表面波导的法布里-珀罗干涉仪光纤传感器

说明书

本发明公开了一种基于光纤表面波导的法布里‑珀罗干涉仪（FPI）光纤传感器。它由飞秒激光加工而成的X型耦合器、光纤表面波导和两个并行结构的FPI构成。光纤表面波导上的FP腔作为传感腔，纤芯上的FP腔作为参考腔。X型耦合器将纤芯中的光耦合至光纤表面波导，光纤表面波导在传输光的过程中有很强的倏逝场，可与周围介质相互作用，故可以进行光纤外部折射率传感。同时，传感器使用了游标效应的原理，大大提高了设备的测量灵敏度,可以高灵敏度测量折射率或应力。

技术领域

本发明属于光纤传感与测量领域，更具体的，涉及一种基于光纤表面波导的法布里-珀罗干涉仪光纤传感器的发明和制备。

背景技术

近年来，光纤应力和折射率测量传感器在诸如环境测量、工业制造和生物传感等领域得到了广泛的应用。例如基于FBG和FPI光纤应力测量传感器，它们虽然具有结构紧凑和测量方便的优点，但普遍存在灵敏度低的缺点，大约在几个pm之间。例如在直径接近入射光波长的微纳光纤中刻写光纤光栅或在D型光纤表面进行传感的折射率传感器，它们虽然具有测量灵敏度高的优点，但结构脆弱性能不稳定，设计上存在缺陷。

本发明基于现状，设计了一种基于光纤表面波导的法布里-珀罗干涉仪光纤传感器，它可以应用折射率和应力高灵敏度传感；这一点很少光纤传感器可以做到，同时结构设计上保证了本传感器对温度变化不敏感，降低了温度对测量过程中的干扰程度。此外，该装置在加工过程中没有破坏单模光纤的完整结构，故保证了其结构坚固耐用和性能稳定的特性。

发明内容

针对现有技术上的缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光纤表面波导的法布里-珀罗干涉仪光纤传感器及其制备方法；其目的是通过新颖的结构实现了应力和折射率高灵敏度测量，采用非破坏式的微加工工艺保证其结构坚固和性能稳定。

为实现上述目的，本发明的一个方面，提供了一种基于光纤表面波导的法布里-珀罗干涉仪光纤传感器，包括四个部分，第一部分是X型耦合器，第二部分为光纤表面波导，第三部分是参考FP腔，第四部分是传感FP腔；其中与光纤轴向夹角为θ的倾斜刻蚀线作为X型耦合器，倾斜刻蚀线延伸至光纤表面一定距离后,变为与光纤轴向平行的刻蚀线作为光纤表面波导；两个FP腔都是由两面相同的反射镜构成。

X型耦合器与光纤轴向夹角θ为0°至10°；光纤表面波导离光纤表面距离为0µm至5µm。

构成传感FP腔的单面反射镜的长度为1µm至5 µm，两面反射镜的总长度为100µm至1000µm；构成参考FP腔的反射镜离纤芯中心的距离为0µm至5 µm；单个反射镜的长度通常为1µm至5 µm；两面反射镜的总长度为100至1000µm。

本发明的原理为X型耦合器将纤芯中的光耦合至光纤表面波导，光纤表面波导在传输光的过程中有很强的倏逝场，可与周围介质相互作用，故可以进行光纤外部折射率传感。同时传感腔受外力作用时，腔长会发生变化，通过相应的改变可以进行应力传感，此外，传感器使用了游标效应的原理,大大提高了折射率和应力的测量灵敏度。

按照本发明的方面，提供了一种基于光纤表面波导的法布里-珀罗干涉仪光纤传感器，包括如下步骤：

（1）首先将去掉涂覆层的单模光纤固定在三维微加工平台上；

（2）利用飞秒激光在步骤（1）中的光纤纤芯中央0µm至5µm处，加工出一条与光纤轴线成0°至10°的刻蚀线（X型耦合器），刻蚀线延伸至光纤表面0µm至5µm时，变为与光纤轴向平行的刻蚀线（光纤表面波导），两段刻蚀线总长度按照要求设定；

（3）在步骤（2）中的平行刻蚀线（光纤表面波导）上加工两面参数完全相同的反射镜作为传感FP腔，单面反射镜总长度为1µm至5µm，厚度为1至3µm，总长度为100µm至1000µm；