包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅高灵敏度折射率传感器及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及了一种包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅高灵敏度折射率传感器，它包括一根单模光纤、单模光纤经氢氧火焰拉制成的光纤熔锥以及使用CO2激光器刻写在光纤熔锥上的长周期光纤光栅（LPFG）。光纤熔锥很大一部分光场能量以倏逝波的形式在纤外传播，基于这部分芯外倏逝场与环境相互作用可感知周围环境的折射率变化，结合采用CO2激光器刻写范围包括光纤熔锥过渡区的LPFG，基于其同向传输的纤芯基模和包层模之间耦合且由于光纤熔锥特殊的锥形波导结构和锥腰的细直径特性，谐振波长对外界环境的变化非常敏感。本发明将光纤熔锥和LPFG的优点结合在一起，通过测量其透射峰的谐振波长的变化进行高灵敏传感，对基于光纤熔锥的复合型光纤器件的基础研究与高灵敏传感器应用具有重要意义。
【专利说明】包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅高灵敏度折射率传感器 及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅高灵敏度折射率传感器及其 制造方法，属于光纤器件领域。
【背景技术】
[0002] 光纤器件是光纤通信和光纤传感的关键性器件，其发展程度的高低在很大程度上 决定着光纤通信和光纤传感领域的发展。光纤传感器抗干扰能力强、绝缘性好安全度高、 灵敏度高、重量轻体积小易于集成，因而在很多行业比如航天(飞机及航天器各部位的温度 测量、压力测量等)，石油开采(液面高度测量等)，电力传输(高压输电网的电流测量等）等 领域均有着广阔的应用前景。随着光纤通信和光纤传感领域的快速发展，对光纤器件的要 求也越来越高，具有微尺寸、高灵敏度、快速响应等优势的新型光纤器件逐渐成为研究的热 点。光纤光栅因其优越的性能己成为目前最具有代表性和最具有发展前途的光纤无源器件 之一，新结构、新特性、多功能光纤光栅的研制已经成为必然趋势。
[0003] 长周期光纤光栅（LPFG)具有插入损耗小、带宽宽、后向反射低、对外界环境变化 的反应灵敏度高、制作简单、成本低廉等优点，获得了极大的应用。在传感领域，由于LPFG 的周期长，同向传输的纤芯基模和包层模之间存在耦合，其谐振波长和峰值对外界环境的 变化非常敏感。熔锥型光纤器件与普通单模光纤SMF (single mode fiber)相比，光纤熔 锥的很大一部分光场能量以倏逝波的形式在芯外传播，光进入过渡区部分继续向前传输， 过渡区的半径逐渐减小，随着半径的减小，在包层中传输的光逐渐增多，在纤芯中传输的光 逐渐减少，在锥腰传输的光波呈指数形式衰减，形成对外部环境的变化极其敏感的渐逝波， 可以制成高灵敏光纤传感器，之后光波重新进入过渡区和单模区传输，光也逐渐由包层返 回纤芯。因此，光纤熔锥复合型器件的基础研究具有重要意义。本发明在光纤熔锥上刻写 LPFG，将光纤烙锥和LPFG的优点结合在一起，通过测量其透射峰的谐振波长和峰值的变化 进行传感。因此，可以实现比普通LPFG更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的传感 测量，同时可以通过改进工艺以实现低损耗和高性能传感。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提高普通LPFG折射率传感的灵敏度，提供一种包括过渡区的 光纤熔锥长周期光栅高灵敏度折射率传感器及其制造方法。该传感器可实现更高的分辨 率、更高的灵敏度以及更大范围的折射率传感。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用下述技术方案： 一种包括过渡区的光纤熔锥长周期光纤光栅高灵敏度折射率传感器，包括一根单模 光纤、单模光纤经过氢氧火焰拉制成的光纤熔锥以及使用CO2激光器刻写在光纤熔锥上的 LPFG，其特征在于：所述光纤熔锥，它的很大一部分光场能量以倏逝波的形式在芯外传播， 这部分芯外倏逝场与环境相互作用时，可以感知周围环境的折射率变化；刻写范围包括光 纤熔锥过渡区的长周期光纤光栅（LPFG)，由于LPFG的周期长，存在同向传输的纤芯基模 和包层模之间的耦合，其谐振波长和峰值对外界环境的变化非常敏感；在光纤熔锥上刻写 LPFG，将光纤熔锥和LPFG的优点结合在一起，以实现低损耗和高性能的传感特性。特征在 于所述单模光纤（1)包层直径约为10(Γ150 μ m，纤芯直径约为疒10 μ m ;所述纤熔锥过渡区 (2)和光纤熔锥的锥腰区域（3)总长为l(Tl5mm，光纤熔锥的锥腰（3)直径3(Γ80μπι，所述 长周期光纤光栅（4)长度为15~20mm。
[0006] 用于制作上述所说的包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅折射率传感器，其制造工 艺操作步骤如下： 首先，取一根长度为Im ± 0. 2m的单模光纤（1)，剥掉该单模光纤（1)中间部分长度为 10cm ± Icm的涂覆层，然后用氢氧火焰拉锥机对其进行拉锥，得到光纤熔锥过渡区（2)和光 纤熔锥的锥腰区域（3);然后把光纤熔锥过渡区（2)和光纤熔锥的锥腰区域（3)固定在CO 2 激光器上，光纤熔锥过渡区（2)的两端分别通过跳线连接光源和光谱仪，然后通过显微镜 聚焦于光纤熔锥的锥腰区域（3)的中心，用电脑绘制一个长度为15~20mm长周期光纤光栅 (4)，控制CO 2激光器刻写长周期光纤光栅（4)，通过光谱仪的实时在线测量，得到一个光谱 较好的长周期光纤光栅（4)。至此，一种包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅折射率传感器制 备完成。
[0007] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点： (1) 光纤烙锥很大一部分光场能量以倏逝波的形式在纤外传播，倏逝场与环境相互作 用可实现高灵敏度感知周围环境的折射率变化； (2) LPFG存在同向传输的纤芯基模和包层模之间稱合，谐振波长对外界环境的变化非 常敏感； (3) 所发明的器件结构简单，性能稳定可靠，并可以根据需求，制备不同LPFG长度、不 同光纤熔锥直径，成本低廉，重复性高，易于实现器件的批量加工。
[0008] 本发明的工作原理 与用常规制作方法制成的光纤光栅折射率传感器相比，在光纤熔锥上刻写包括过渡区 的长周期光纤光栅传感器灵敏度更高。由于LPFG的周期长，存在同向传输的纤芯基模和包 层模之间的耦合，其谐振波长和峰值对外界环境的变化非常敏感，具有比布拉格光栅更好 的灵敏度(表现在温度、折射率、弯曲等特性)。光纤熔锥很大一部分光场能量以倏逝波的形 式在纤外传播，这部分芯外倏逝场与环境相互作用时，通过感知周围环境的折射率变化，可 以用来做高灵敏度的微型传感器。因此，针对基于光纤熔锥的复合型器件的工作原理、制造 工艺和应用特性进行基础研究具有重要意义。在光纤熔锥上刻写LPFG (结构如图1所示)， 将光纤熔锥和LPFG的优点结合在一起，通过测量其透射峰的谐振波长和峰值的变化进行 传感。因此，可以实现比普通LPFG更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的传感。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1是本发明中包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅折射率传感器的结构图。
[0010] 图2是本发明利用CO2激光器在光纤熔锥上刻写长周期光栅的示意图。
[0011] 图3是刻写在普通单模光纤SMF-28上，周期为500 μ m、周期数为60的LPFG传输 谱在外界折射率变化情况下的移动情况。
[0012] 图4是刻写在锥腰直径84 μ m，周期为500 μ m、周期数为60的LPFG传输谱在外界 折射率变化情况下的移动情况。
【具体实施方式】
[0013] 本发明的优选实施例并结合【专利附图】
【附图说明】如下： 实施例一： 本段内容参见图1，本包括过渡区的光纤熔锥长周期光纤光栅高灵敏度折射率传感器， 包括一根单模光纤、由单模光纤经过氢氧火焰熔融拉锥形成的光纤熔锥、CO2激光器在光纤 熔锥上刻写长周期光纤光栅，其特征在于：所述光纤熔锥部分是由氢氧火焰加热经过熔融 拉锥制成，包括过渡区域和锥腰区域；长周期光纤光栅是由CO 2激光器刻写，刻写区域包括 了光纤熔锥的过渡区域和锥腰区域。光纤熔锥的强渐逝场对外界环境变化产生高灵敏度特 性；长周期光纤光栅的耦合是纤芯基模和同向包层模之间的耦合，与包层模的有效折射率 密切相关；而外界折射率的变化会导致包层模有效折射率发生变化，进而对耦合模式产生 影响；本发明有效结合两种光纤器件的优势，制成一种对折射率具有高灵敏度的光纤传感 器件。
[0014] 实施例二： 本实施例与实施例一基本相同，特别之处：所述单模光纤（1)包层直径约为 10(Γ?50μπι，纤芯直径约为7~10μπι;所述纤熔锥过渡区（2)和光纤熔锥的锥腰区域（3) 总长为l(Tl5mm，光纤熔锥的锥腰（3)直径3(Γ80μπι，所述长周期光纤光栅（4)长度为 15~20mm〇
[0015] 实施例三： 上述包括过渡区的光纤熔锥长周期光纤光栅高灵敏度折射率传感器的制造方法，用于 制造上述折射率传感器，其制造工艺步骤如下：首先，取一根长度为Im ± 0. 2m的单模光纤 (1) ，剥掉该单模光纤（1)中间部分长度为10cm ± Icm的涂覆层，然后用氢氧火焰拉锥机对 其进行拉锥，得到光纤熔锥过渡区（2)和光纤熔锥的锥腰区域（3);然后把光纤熔锥过渡区 (2) 和光纤熔锥的锥腰区域（3)固定在CO2激光器上，光纤熔锥过渡区（2)的两端分别通过 跳线连接光源和光谱仪，然后通过显微镜聚焦于光纤熔锥的锥腰区域（3)的中心，用电脑绘 制一个长度为15~20mm长周期光纤光栅（4)，控制CO 2激光器刻写长周期光纤光栅（4)，通过 光谱仪的实时在线测量，得到一个光谱较好的长周期光纤光栅（4)。至此，一种包括过渡区 的光纤熔锥长周期光纤光栅高灵敏度折射率传感器制备完成。
[0016] 实施例四： 参见图1，本包括过渡区的光纤熔锥长周期光纤光栅高灵敏度折射率传感器，包括一根 单模光纤（1)、由单模光纤经过氢氧火焰熔融拉锥形成的光纤熔锥过渡区（2)和光纤熔锥 的锥腰区域（3)、CO2激光器在光纤熔锥上刻写长周期光纤光栅（4)，所述单模光纤（1)包层 直径约为125um，纤芯直径约为8. 5um ;所述光纤熔锥过渡区（2)和光纤熔锥的锥腰区域（3) 是由普通单模光纤经过氢氧火焰熔融拉锥形成的，长为l(Tl5mm，锥腰直径为3(Γ60 μ m， LPFG长度为15?20mm ; 图2为利用CO2激光器在光纤熔锥上刻写长周期光纤光栅的示意图。图3和图4分别 为刻写在普通单模光纤和锥腰直径84 μ m，周期为500 μ m周期数为60的LPFG传输谱在外 界折射率变化情况下的移动情况，比较之下，图4表明本发明所涉及的包括过渡区的光纤 熔锥长周期光栅折射率传感器具有更高的传感灵敏度。
【权利要求】
1. 一种包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅高灵敏度折射率传感器，包括一根单模光纤 (1)、以及在单模光纤（1)中的一段光纤熔锥上刻写的长周期光栅（4)，其特征在于：所述的 长周期光纤光栅（4)是由CO2激光器刻写，刻写区域包括了光纤熔锥的两个过渡区（2)域和 一个锥腰区域（3);所述光纤熔锥过渡区（2)和光纤熔锥的锥腰区域（3)部分是由氢氧火焰 加热经过熔融拉锥制成。
2. 根据权利1所述的一种包括过渡区的光纤熔锥长周期光纤光栅折射率传感器，其特 征在于所述单模光纤（1)包层直径约为10(Γ150μm，纤芯直径约为疒10μm;所述纤熔锥过 渡区（2)和光纤熔锥的锥腰区域（3)总长为l(Tl5mm，光纤熔锥的锥腰（3)直径3(Γ80μπι， 所述长周期光纤光栅（4)长度为15~20mm。
3. -种包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅高灵敏度折射率传感器制造方法，用于制造 根据权利要求1所述的包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅高灵敏度折射率传感器，其特征 在于制造步骤如下： 1) 首先，取一根长度为Im± 0.2m的单模光纤（1)，剥掉该单模光纤（1)中间部分长度 为IOcm±Icm的涂覆层； 2) 然后，用氢氧火焰拉锥机对其进行拉锥，得到光纤熔锥过渡区（2)和光纤熔锥的锥腰 区域（3); 3) 接着，把光纤熔锥过渡区（2)和光纤熔锥的锥腰区域（3)固定在C02激光器上，光纤 熔锥过渡区（2)的两端分别通过跳线链接光源和光谱仪； 4) 最后，通过显微镜聚焦于光纤熔锥的腰椎区域（3)的中心，用电脑绘制一个长度为 15~20cm的长周期光纤光栅（4)，通过控制C02激光器刻写长周期光纤光栅（4);通过光谱仪 的实时在线测量，得到一个较好的长周期光纤光栅（4)。
【文档编号】G01N21/41GK104237166SQ201410460070
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】张小贝, 李扬, 殷赵辉, 庞拂飞, 华阳, 刘云启, 王廷云 申请人:上海大学