基于飞秒激光制备光子晶体光纤Fabry‑Perot温度传感器的方法与流程

本发明涉及光纤器件领域，特别涉及一种基于飞秒激光制备光子晶体光纤fabry-perot温度传感器。

背景技术：

光纤传感器具有诸多优良特性，可实现复杂环境下的测量工作具有非常广泛的应用价值。它具有抗电磁干扰、抗辐射、灵敏度高、重量轻、绝缘防爆、耐腐蚀等特点，且光纤尺寸微小，具有良好的光传输性能。在各种类型的光纤传感器中，目前精度最高的是干涉型光纤传感器。其中光纤法布里-珀罗温度传感器(即f-p)传感器因只用一根光纤且结构简单体积小、动态范围大，在生物医学、磁场、微机电系统中受到广泛关注。

光纤f-p传感器主要包括非本征型和本征型两大类。非本征型结构的光纤f-p传感器是利用光纤和一个具有反射面结构的非光纤原件组成；本征型光纤f-p结构的加工方法一般为将光纤两端面镀膜，通过封装或对接制成，但由于光纤的直径在微米量级，镀膜材料难以选择，镀膜难度大，且在封装或对接时需要精确地控制镀膜光纤和精确连接光纤以减小耦合损失，操作难度大。针对利用飞秒刻写形成的光纤f-p传感器，当飞秒激光聚焦到光纤纤芯上时，会使材料性质发生改变，使其折射率发生改变，而光纤的表面不会受到任何影响。

光子晶体光纤最大的特点是完全由熔融石英制成，包层与纤芯都是由石英组成，但在包层中存在按三角分布均匀排列的空气孔。相比传统光纤，光子晶体光纤表现出许多十分优异的特性：无截止波长的单模传输特性、良好的色散性质、高双折射特性、大模场面积、高非线性效应。光子晶体光纤还易于实现多芯传输，可以制作成大孔径的光子晶体光纤。这些特性突破了传统光纤光学的局限，拓展了光纤的应用范围，在光电子器件、超快及光学、光通信、微光电子学及场强物理学等领域开辟了新的研究方向。

与其他光纤相比，用光子晶体光纤制备的传感器更不易受电磁干扰，光子晶体光纤是纯石英结构，而其他光纤纤芯都有不同程度的掺锗成分；光子晶体光纤的无截止波长的单模传输效应可增加单模传输波长范围，扩大了光子晶体光纤传感器的检测范围；光子晶体光纤良好的色散性质使纤芯和包层在力学和热力学上可以完全匹配，纤芯和包层的折射率差不会因材料的的不相容性而受限制，从而可以在很大的波长范围得到较大的色散。

不同的刻写方式会不同程度破坏光子晶体光纤的结构，使光子晶体光纤失去特有的优势。采用飞秒激光在所述光子晶体光纤上制成f-p腔结构，其中f-p腔体结构并未破坏，只是通过划线改变了f-p腔两端的折射率，对光子晶体光纤特性的影响较小。

因此，需要一种采用飞秒激光方式在光子晶体光纤刻写制作光子晶体光纤fabry-perot温度传感器的方法。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于飞秒激光制备光子晶体光纤fabry-perot温度传感器的方法，包括如下步骤：

采用光子晶体光纤，将飞秒激光器的飞秒激光聚焦在所述光子晶体光纤的纤芯上，并垂直于光纤轴向；然后所述飞秒激光沿径向在所述光子晶体光纤上来回划线，得到两个深度到达光纤纤芯的内部反射镜，所述两个内部反射镜与反射镜之间的光子晶体光纤构成f-p腔结构，从而制得光子晶体光纤fabry-perot温度传感器。

光子晶体光纤有很多特性，不同的刻写方式会不同程度破坏光子晶体光纤的结构，使光子晶体光纤失去特有的优势。本发明的刻写方式得到的f-p腔结构并未破坏，只是通过划线改变了f-p腔两端的折射率，对光子晶体光纤特性的影响较小。

优选地，划线的长度大于光纤纤芯直径，以实现对光纤纤芯的完全刻写。

优选地，所述f-p腔的两个内部反射镜的距离为50～6000μm，其干涉效果最好。

优选地，所述飞秒激光器的中心波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为1khz。

更优选地，所述飞秒激光器采用钛蓝宝石飞秒激光器。

本发明具有以下有益效果：

1、采用飞秒刻写的方式制备本征型f-p温度传感器，简单快捷。

2、选用光子晶体光纤，相比传统光纤，光子晶体光纤优异的特性突破了传统光纤光学的局限，拓展了光纤的应用范围。

3、制备得到的传感器器件结构简单，稳定性可靠，并可以根据要求制备不同腔长、不同反射系数的光纤内部反射镜的器件。

4.本发明的制备方法不需要昂贵的掩模版，成本较低、重复性高，易于实现器件的批量加工。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出了本发明制备得到的所述光子晶体光纤fabry-perot温度传感器的结构示意图。

图2示出了所述光子晶体光纤fabry-perot温度传感器测温度系统结构示意图。

图3示出了所述光子晶体光纤fabry-perot温度传感器在不同温度下的干涉谱图。

图4示出了对所述光子晶体光纤fabry-perot温度传感器进行标定后，得到的波长-温度关系曲线图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

参见图1，一种基于飞秒激光制备光子晶体光纤fabry-perot温度传感器的方法，包括如下步骤：

采用光子晶体光纤，将飞秒激光器的飞秒激光聚焦在所述光子晶体光纤的纤芯上，并垂直于光纤轴向；然后所述飞秒激光沿径向在所述光子晶体光纤上来回划线，得到两个深度到达光纤纤芯的内部反射镜，所述两个内部反射镜与发射镜之间的光纤构成f-p腔结构，从而制得光子晶体光纤fabry-perot温度传感器,，如图1所示。

具体地，划线的长度大于光纤纤芯直径，以实现对光纤纤芯的完全刻写。所述f-p腔的两个内部反射镜的距离为50～6000μm，其干涉效果最好。所述飞秒激光器采用相干公司生产的钛蓝宝石飞秒激光器，中心波长为800nm，脉冲宽度为120fs。

如图2所示，为所述光纤本征型f-p温度传感器测温度系统，该系统包括：宽带光源1、普通单模光纤2、光子晶体光纤fabry-perot温度传感器3、加热平台4、光纤环行器5、光纤传感分析仪6，所述光子晶体光纤fabry-perot温度传感器粘贴在所述加热平台上，通过光纤环行器与光纤传感分析仪相连。

其中，所述光纤传感分析仪用于进行反射光谱的采集，具体地，所述光纤环行器将所述传感器的光纤f-p腔的反射干涉光谱传输至所述光纤传感分析仪。

其中，所述光纤传感分析仪采用yokogawa公司生产的光纤传感分析仪。

所述加热平台用于改变所述光子晶体光纤fabry-perot温度传感器的温度大小。

所述光纤本征型f-p温度传感器测温度系统中，需要克服的问题是单模光纤和光子晶体光纤的熔接问题：在熔接时如放电量过大会产生气体塌陷。本发明的解决方案为：通过减小放电量和调节放电位置使能量多地聚集在普通单模光纤处以尽可能避免或减小气体塌陷。

图3所示，为所述光子晶体光纤fabry-perot温度传感器在不同温度下的干涉谱图，由图可知：当外界温度发生变化，反射光谱谱线会发生平移，如图3所示，3条谱线分别为温度为50℃、100℃、150℃时的f-p传感器1520nm～1610nm范围内的干涉谱。表明：该传感器的结构可行。

图4所示为对光子晶体光纤fabry-perot温度传感器进行标定后，得到的波长-温度关系曲线，在50℃～400℃范围内，每间隔50℃施加温度，记录相应温度时的波长，绘制波长—温度关系曲线，由图可知：该传感器具有良好的线性度。

本发明采用飞秒激光划线的方式在光子晶体光纤上刻写，在保留f-p腔结构的基础上仅改变了f-p腔两端的折射率，以最小限度的破坏光子晶体光纤的结构，对光子晶体光纤特性的影响较小。本发明选用光子晶体光纤，相比传统光纤，光子晶体光纤优异的特性突破了传统光纤光学的局限，拓展了光纤的应用范围；制备得到的传感器器件结构简单，稳定性可靠，并可以根据要求制备不同腔长、不同反射系数的光纤内部反射镜的器件；本发明的制备方法不需要昂贵的掩模版，成本较低、重复性高，易于实现器件的批量加工。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。