[发明专利]基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器及纤芯制备方法

说明书

一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器及纤芯制备方法，使用一种单模无截光纤，纤芯掺锗，其包层具有六边形排列的柚子型空气孔组成的特殊结构；将微量进样器与光纤连接，用AB胶固定。光纤插入氢氟酸中，抽出进样器筒，氢氟酸进入光纤空气孔中，经过氢氟酸腐蚀，形成光纤内悬芯结构，通过控制进样器抽出的长度，控制氢氟酸溶液进入光子晶体光纤的深度，从而控制腐蚀后悬芯长度。本发明具有结构简单、体积小、传感性能好、悬芯长度可控等优势。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器及纤芯制备方法。

背景技术

当光波信号在光纤中传输时，因外界环境如温度、压力、电场等所引起的微小变化，会改变强度、相位、频率等光波信号特征参量，对某一种特征参量进行测量即可推知外界物理量变化的大小，这就是光纤传感技术。光纤传感器能够在高温、高压等恶劣环境中正常使用，同时具有体积小、质量轻、防腐蚀、灵敏度高等优点。根据光纤传感器的工作原理，可以将其分为光纤干涉仪、光纤光栅、光时域反射仪等类型。以上类型光纤传感器大多需要与机械结构配合使用，通过组合式的结构将待测信号放大传递给光纤，这种类型的传感器不仅制作工艺复杂，而且无法实现在微小空间中嵌入式传感。微纳光纤具有结构简单、体积小、传感性能优异等优势，在光传感、激光器等领域得到广泛应用。微纳光纤的直径通常接近或小于传输光的波长，具有光场约束强、倏逝场比例大、弯曲损耗小等新颖的光学传输特性，微纳光纤传感器不仅继承了光纤传感器的优点，而且在研制具有更高灵敏度、更快响应时间、更小器件尺寸、更低功耗的光学传感器时展示了巨大的优势和潜力。光纤中的微结构根据结构本身性质主要可分为结构变形型、折射率调制型和材料去除型。材料去除型主要利用机械磨抛、化学腐蚀和激光烧蚀等方法将光纤局部材料去除，其中的化学腐蚀法主要是利用氢氟酸腐蚀光纤制作微纳光纤传感器，因其操作简单，制作成本低，近年来受到广泛关注。

2014年，王若晖等人首次提出光纤内独立纤芯结构，制备该结构首先将光子晶体光纤(PCF)拼接到单模光纤(SMF)上,然后用氢氟酸刻蚀掉光子晶体光纤的空气孔包层，形成的光纤内悬浮纤芯结构同时具备法布里-珀罗干涉特性。该结构悬浮纤芯约为～2μm，长度为106μm。该结构被用于温度传感，实验测得灵敏度为14.3pm/℃。 2015年，王若晖等人又将此结构用于回音壁模式微腔的耦合，该结构利用了悬浮纤芯结构的强倏逝波特性，一方面结合了光纤内集成的优势，实现了回音壁模式微腔的光纤内集成。2018年，邵志华等人研制了基于光纤内悬浮纤芯的结构的高空间分辨率超声波传感器。该结构通过蚀刻过程减小了PCF的纤芯直径(小于10μm)获得了较高的空间分辨率和响应灵敏度，其悬芯结构长度为240.8μm。上述研究只能通过单模光纤熔接光子晶体光纤，再进行切割的方式控制光子晶体光纤的长度(即刻蚀后悬浮纤芯的长度)，但是通过毛细作用刻蚀出悬芯长度有限，最长只能到300μm左右，该长度限制了基于悬浮纤芯类型传感器的传感应用范围。因此，制备较长长度的悬浮纤芯，并且实现悬浮纤芯结构的可控，对于该结构的应用推广具有重要的意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于光纤内长悬浮纤芯结构的光纤传感器及纤芯制备方法，具有结构简单，悬芯长度可控的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种光纤内长悬浮纤芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、化学腐蚀光子晶体光纤：

将光子晶体光纤与微量进样器相连，用AB胶固定接口，待AB 胶凝固，将进样器管推至底排出空气；再将光子晶体光纤浸入氢氟酸溶液中，抽出针管，由于内外压强差，氢氟酸溶液将会被吸入空气孔中对包层进行腐蚀，因光子晶体光纤多孔结构，经过一段时间的腐蚀，在光子晶体光纤端面会形成一个具有六边形结构的空气凹槽，凹槽中心有一个直径为20微米的独立纤芯；

步骤二、将包含有独立纤芯结构的光子晶体光纤未腐蚀端与普通单模光纤熔接，得到光纤内长悬浮纤芯。