一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头及其制备方法与流程

本发明涉及一种光子晶体光纤传感器探头及其制备方法。

背景技术：

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，传统技术采用石英晶体换能器在水中发射、接收频率较低的超声波。

换能器为电能、机械能或声能从一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置，也称有源传感器。换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能，但现有测量超声器件存在灵敏度偏低，抗电磁干扰弱，不耐静压的缺点。

技术实现要素：

本发明要解决现有测量超声器件存在灵敏度偏低，抗电磁干扰弱，不耐静压的问题，而提供一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头及其制备方法。

一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头由通孔光子晶体光纤及单模光纤组成；

通孔光子晶体光纤两端分别熔接单模光纤；

所述的单模光纤衍射刻写分布布拉格反射光栅。

一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头的制备方法是按以下步骤进行的：

一、利用半导体光刻工艺对二氧化硅晶体进行通孔刻蚀，得到通孔光子晶体光纤，然后将通孔光子晶体光纤两侧进行抛光处理，得到抛光后的通孔光子晶体光纤；

二、对单模光纤利用氩离子倍频激光器通过相位掩膜版进行衍射刻写分布布拉格反射光栅，并对单模光纤进行端面抛光处理，得到抛光后的单模光纤；

三、将抛光后的通孔光子晶体光纤及抛光后的单模光纤进行熔接，得到一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头。

本发明的有益效果是：

1、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤超声传感器是利用光波传输信息，而光纤也是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以方便有效地用于地震检测，海水超声等领域中，超声测量的灵敏度可以增加到2倍左右。

2、重量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外还有可挠的优点，因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器。这有利于在医学人体超声以及狭窄空间超声的检测中应用。

3、对被测介质影响小，有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。

4、便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。

5、成本低，有些种类的光纤超声传感器的成本将大大低于现有同类传感器。

6、可在高温下测量，而传统的电压式超声传感器要受温度的限制。

7、广泛应用于探测潜艇、水下通讯、地震及爆炸能量估算等领域。相比于传统的石英晶体用来在水中发射、接收频率较低的超声波的换能器，通过在声敏感光子晶体两侧加入分布布拉格反射镜来实现高q因子的法帕腔，其具有探测灵敏度高、频响特性好、频带宽、动态范围大、耐静压的特点，还有易于全天候实时探测和识别、易于集成化以及网络化的优点。

本发明用于一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头及其制备方法。

附图说明

图1为本发明一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头的结构示意图；

图2为通孔光子晶体光纤的剖面示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：结合图1及图2具体说明本实施方式，本实施方式一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头由通孔光子晶体光纤1及单模光纤2组成；

通孔光子晶体光纤1两端分别熔接单模光纤2；

所述的单模光纤2衍射刻写分布布拉格反射光栅3。

本具体实施方式将通孔光子晶体光纤的一端切平整，熔接在一段单模光纤，再将通孔光子晶体光纤的另一端切平整，熔接在另一段单模光纤上，则通孔光子晶体光纤的两端就形成了一个法珀腔，腔长长度就是通孔光子晶体光纤的长度。

现有光子晶体的纤芯是由二氧化硅构成，它是一种全反射型的光纤，因此它构成的法珀传感器是一种干涉型光栅传感器；

而本实施方式通孔光子晶体光纤是光子带隙型光纤，纤芯是空的，里面是空气，因为法珀腔部分本身就是光纤结构，因此，其为法珀光纤干涉传感器，该法珀干涉传感器有着较多的优势。

由于该传感器属于干涉型超声检测器件，具有很高的灵敏度；并且该传感器具有多孔结构，是一种天然的吸声器，对超声场更为灵敏；同时，对通孔光子晶体光纤构成的法布里帕罗传感器进行改进，在其两端分别接入高反射率的光纤光栅，以构成谐振腔，制作出更高灵敏度的超声器件，从而为新型光纤超声传感器件的研究带来新的机遇，这对于纤维光学以及超声传感的发展将具有重要的物理意义。

本实施方式的有益效果是：

1、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤超声传感器是利用光波传输信息，而光纤也是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以方便有效地用于地震检测，海水超声等领域中，超声测量的灵敏度可以增加到2倍左右。

2、重量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外还有可挠的优点，因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器。这有利于在医学人体超声以及狭窄空间超声的检测中应用。

3、对被测介质影响小，有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。

4、便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。

5、成本低，有些种类的光纤超声传感器的成本将大大低于现有同类传感器。

6、可在高温下测量，而传统的电压式超声传感器要受温度的限制。

7、广泛应用于探测潜艇、水下通讯、地震及爆炸能量估算等领域。相比于传统的石英晶体用来在水中发射、接收频率较低的超声波的换能器，通过在声敏感光子晶体两侧加入分布布拉格反射镜来实现高q因子的法帕腔，其具有探测灵敏度高、频响特性好、频带宽、动态范围大、耐静压的特点，还有易于全天候实时探测和识别、易于集成化以及网络化的优点。

具体实施方式二：，本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的通孔光子晶体光纤1腔长为300μm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的分布布拉格反射光栅3反射率为93％，带宽为0.16。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的通孔光子晶体光纤1是利用半导体光刻工艺对二氧化硅晶体进行通孔刻蚀得到的。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的通孔光子晶体光纤1两侧光纤进行抛光处理。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的单模光纤2利用氩离子倍频激光器通过相位掩膜版进行衍射刻写分布布拉格反射光栅3。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的单模光纤2两侧光纤进行抛光处理。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式所述的一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头的制备方法是按以下步骤进行的：

一、利用半导体光刻工艺对二氧化硅晶体进行通孔刻蚀，得到通孔光子晶体光纤1，然后将通孔光子晶体光纤1两侧进行抛光处理，得到抛光后的通孔光子晶体光纤1；

二、对单模光纤2利用氩离子倍频激光器通过相位掩膜版进行衍射刻写分布布拉格反射光栅3，并对单模光纤2进行端面抛光处理，得到抛光后的单模光纤2；

三、将抛光后的通孔光子晶体光纤1及抛光后的单模光纤2进行熔接，得到一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头。

本具体实施方式利用半导体光刻工艺对二氧化硅晶体进行通孔刻蚀，制备具有通孔结构的光子晶体声敏感单元，制备后有通孔光子晶体两侧光纤进行抛光处理，以备后续融合拼接。

对单模光纤进行端面抛光处理，以完成后续光纤与通孔声敏感单元的熔接，对单模光纤利用氩离子倍频激光器通过相位掩膜版进行衍射刻写光纤光栅，从而完成法帕腔高反射端面的制备。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述的通孔光子晶体光纤1腔长为300μm。其它与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九之一不同的是：所述的分布布拉格反射光栅3反射率为93％，带宽为0.16。其它与具体实施方式八或九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头由通孔光子晶体光纤1及单模光纤2组成；

通孔光子晶体光纤1两端分别熔接单模光纤2；

所述的单模光纤2衍射刻写分布布拉格反射光栅3。

所述的通孔光子晶体光纤1腔长为300μm。

所述的分布布拉格反射光栅3反射率为93％，带宽为0.16。

上述一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头的制备方法是按以下步骤进行的：

一、利用半导体光刻工艺对二氧化硅晶体进行通孔刻蚀，得到通孔光子晶体光纤1，然后将通孔光子晶体光纤1两侧进行抛光处理，得到抛光后的通孔光子晶体光纤1；

二、对单模光纤2利用氩离子倍频激光器通过相位掩膜版进行衍射刻写分布布拉格反射光栅3，并对单模光纤2进行端面抛光处理，得到抛光后的单模光纤2；

三、将抛光后的通孔光子晶体光纤1及抛光后的单模光纤2进行熔接，得到一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头。

本实施例选用的通孔光子晶体光纤腔长为300μm，而分布布拉格反射光栅的反射率为93％，带宽为0.16，施加预应变后中心波长为1550nm。

通孔光子晶体光纤对温度灵敏度非常低，但是超声测量的灵敏度可以增加到2倍左右，这样通孔光子晶体光纤与压电陶瓷等材料相比，更适用于高灵敏度的超声测量。