一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪

1.本实用新型涉及光纤干涉仪的技术领域，尤其涉及一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪。


背景技术：

2.光纤传感器的体积小、灵敏度高、质量轻、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，受到了广泛的关注和研究。光纤传感器是将光纤作为信息的传输介质，光作为携带信息的载体，外界被测量的物理量变化都将转化为光谱的相应变化。为了提高光纤传感器对被测量的灵敏度，研究人员们对光纤进行了多种处理方式，如错位、纤芯失配、拉锥、镀膜和磨抛等。在多种光纤传感器中，光纤传感器在化学、石油化工和公共供水等多个领域获得了越来越多的关注，具有极大的应用价值。
3.模式干涉型光纤传感器源于入射光在包层中传输时激发了高阶包层模式，且由于激发的包层模式与纤芯模式存在折射率差异，从而在传输过程中产生相位差，并在耦合过程中形成模式干涉现象。当外界的环境物理量发生变化时，会引起包层模式折射率变化，进而导致相位差发生变化，使得传输光谱的波长或强度发生变化。
4.迈克尔逊光纤干涉仪是一种反射型光纤干涉仪。模式耦合方式主要包括纤芯失配和纤芯错位两种结构。纤芯失配型迈克尔逊光纤干涉仪是一段多模光纤和一段单模光纤对芯熔接。当入射光由多模光纤扩束后，一部分光会进入单模光纤包层，激发高阶包层模式；另一部分光则继续在单模光纤的纤芯中以基模形式传输。纤芯错位型迈克尔逊光纤干涉仪是将两段单模纤芯错位熔接。类似地，当入射光传输到熔接点时，一部分光以基模形式继续在纤芯中传输，另一部分光进入包层，并激发高阶包层模。
5.当纤芯模和激发的高阶包层模传输到光纤末端的端面时，光纤端面与环境介质存在较大的折射率差，由菲涅尔公式可知，部分光延原路反射，在光纤的纤芯和包层中继续传输。由于纤芯和包层的折射率不同，两束光传输一段距离后会产生对应的相位差，并在多模光纤或错位熔接点处耦合，进而形成干涉条纹。
6.干涉条纹的消光比是表征模式干涉仪性能的关键参量。通常，当纤芯模式与包层模式的光能比相等或接近时，可获得最大的消光比。在纤芯错位结构中，适当地调整错位量值，可以精确调配纤芯与包层中的光能量配比。光纤末端端面的反射率与光能损耗直接关联。然而，传统的光纤刀切割方法难以保证端面平整，金属镀膜方法虽然可以实现端面的高反射率，但工艺复杂、且成本较高。


技术实现要素：

7.针对上述产生的问题，本实用新型的目的在于提供一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪。
8.为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：
9.一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，包括：导入导出光纤1、干涉
光纤2和微球结构3，导入导出光纤1的端部和干涉光纤2的一端错位连接以形成偏芯错位熔接点4，干涉光纤2的另一端和所述微球结构3连接，所述导入导出光纤1、所述干涉光纤2和所述微球结构3均包括：纤芯和包裹所述纤芯的包层，所述导入导出光纤1的纤芯和所述干涉光纤2的纤芯连接，所述干涉光纤2的纤芯和所述微球结构3的纤芯连接。
10.上述的基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，所述导入导出光纤1用于发射输出光和采集输入光。
11.上述的基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，所述干涉光纤2用于形成光束间的相位差。
12.上述的基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，所述微球结构3用于反射传输到光纤末端的光能。
13.上述的基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，所述导入导出光纤1的端部和所述干涉光纤2的一端采用热熔连接。
14.上述的基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，所述干涉光纤2的另一端和所述微球结构3采用热熔连接。
15.上述的基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，导入导出光纤1的中心轴线和干涉光纤2的中心轴线相互平行。
16.上述的基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，所述导入导出光纤1和干涉光纤2均呈圆柱体，所述微球结构3呈球体。
17.上述的基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，导入导出光纤1的纤芯的圆柱体截面半径和干涉光纤2的纤芯的圆柱体截面半径相等，导入导出光纤1的包层的圆柱体截面半径和干涉光纤2的包层的圆柱体截面半径相等。
18.上述的基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，干涉光纤2的纤芯的圆柱体截面半径小于微球结构3的纤芯的球体截面半径，微球结构3的包层的球体截面半径大于干涉光纤2的包层的圆柱体截面半径。
19.本实用新型由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
20.(1)本实用新型通过二次电弧放电方法在干涉光纤末端制备微球结构，实现高反射率的模式干涉型光纤迈克尔逊干涉仪，且具有结构紧凑，制备简单，成本低，实用性强的特点；
21.(2)本实用新型通过控制偏芯熔接位置与电弧放电量，精确控制干涉迈克尔逊干涉仪的错位量和微球结构尺寸，实现了高一致性的反射光谱输出与温度响应，便于消除在其它传感测试中的环境温度串扰。
附图说明
22.图1是本实用新型的一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪的结构示意图。
23.图2是本实用新型的一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪的结构侧视图。
24.图3是本实用新型的一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪归一化能量与错位量的关系图。
25.图4是本实用新型的一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪不同错位量与消光比关系图。
26.图5是本实用新型的一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪微球直径与放电强度的关系图。
27.图6是本实用新型的一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪不同微球直径与消光比关系图。
28.图7是本实用新型的一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪的温度响应光谱图。
29.图8是本实用新型的一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪的温度响应拟合图。
30.附图中：1、导入导出光纤；2、干涉光纤；3、微球结构；4、偏芯错位熔接点。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为本实用新型的限定。
32.请参照图1至图8所示，示出了一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，包括：导入导出光纤1、干涉光纤2和微球结构3，导入导出光纤1的端部和干涉光纤2的一端错位连接以形成偏芯错位熔接点4，干涉光纤2的另一端和微球结构3连接，导入导出光纤1、干涉光纤2和微球结构3均包括：纤芯和包裹纤芯的包层，导入导出光纤1的纤芯和干涉光纤2的纤芯连接，干涉光纤2的纤芯和微球结构3的纤芯连接。
33.进一步，在一种较佳实施例中，导入导出光纤1用于发射输出光和采集输入光。
34.进一步，在一种较佳实施例中，干涉光纤2用于形成光束间的相位差。
35.进一步，在一种较佳实施例中，微球结构3用于反射传输到光纤末端的光能。
36.进一步，在一种较佳实施例中，导入导出光纤1的端部和干涉光纤2的一端采用热熔连接。
37.进一步，在一种较佳实施例中，干涉光纤2的另一端和微球结构3采用热熔连接。
38.进一步，在一种较佳实施例中，导入导出光纤1的中心轴线和干涉光纤2的中心轴线相互平行。
39.进一步，在一种较佳实施例中，导入导出光纤1和干涉光纤2均呈圆柱体，微球结构3呈球体。
40.进一步，在一种较佳实施例中，导入导出光纤1的纤芯的圆柱体截面半径和干涉光纤2的纤芯的圆柱体截面半径相等，导入导出光纤1的包层的圆柱体截面半径和干涉光纤2的包层的圆柱体截面半径相等。
41.进一步，在一种较佳实施例中，干涉光纤2的纤芯的圆柱体截面半径小于微球结构3的纤芯的球体截面半径，微球结构3的包层的球体截面半径大于干涉光纤2的包层的圆柱体截面半径。
42.以上仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围。
43.本实用新型在上述基础上还具有如下实施方式：
44.本实用新型的进一步实施例中，为改善反射型光纤干涉仪的性能，提升其在生化传感、物理量检测等领域的实用性，本实用新型的目的在于提供一个基于微球的光纤迈克尔逊干涉仪。
45.本实用新型的进一步实施例中，一种基于微球的光纤迈克尔逊干涉仪。其中的光纤结构包括导入导出光纤1、干涉光纤2和微球结构3。导入导出光纤1与干涉光纤2错位熔接；
46.本实用新型的进一步实施例中，所有结构通过熔接机以电弧放电方法进行热熔连接。
47.本实用新型的进一步实施例中，导入导出光纤1用于发射输出光和采集输入光，干涉光纤2作为干涉臂，用于形成光束间的相位差，微球结构3用于反射传输到光纤末端的光能。
48.本实用新型的进一步实施例中，请参照图1至图2所示，表示出了一种基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，其中，光纤结构包括导入导出光纤1、干涉光纤2和微球结构3，干涉光纤2的一端和导入导出光纤1偏芯错位熔接，干涉光纤2的另一端是微球结构3；
49.本实用新型的进一步实施例中，所有结构通过熔接机采用电弧放电方法制备。
50.本实用新型的进一步实施例中，导入导出光纤1用于发射输出光和采集输入光，干涉光纤2用于形成光束间相位差。
51.本实用新型的进一步实施例中，解决了干涉仪传感测量时的外界温度串扰问题，具有结构紧凑、制备简单、实用性好的优点。
52.本实用新型的进一步实施例中，输入光经导入导出光纤1传输至偏芯错位熔接点4；在偏芯错位熔接点4被分为两束光，一束光沿干涉光纤2的纤芯继续传输，另一束则进入干涉光纤2的包层进行传输。
53.本实用新型的进一步实施例中，当两束光传播到光纤末端的微球结构3时，基于菲涅尔反射原理，部分光能反射回干涉光纤2中继续传输。当反射光再次到达偏芯错位熔接点4时，由于干涉光纤2的纤芯和包层的折射率存在差异，两束光之间产生相位差。
54.本实用新型的进一步实施例中，两束光经偏芯错位熔接点4进入导入导出光纤1中，并在导入导出光纤1中耦合，进而形成干涉条纹。
55.本实用新型的进一步实施例中，如图1和图2所示，通过熔接机手动模式可以制备偏芯错位熔接结构；控制放电量对干涉光纤端面进行二次放电，可以得到微球结构3。
56.本实用新型的进一步实施例中，图3为纤芯归一化能量与错位量的关系。不同偏芯错位量条件下，可以改变光能进入包层和纤芯的比例。当光纤与包层中的能量相等或者接近1:1时，可以获得最大的条纹消光比。当纤芯错位量为4μm时，纤芯与包层的能量差值最小。图4为不同错位量时干涉仪反射光谱的消光比，最大消光比可达14.4db。
57.本实用新型的进一步实施例中，图5为微球结构与放电强度的关系，其斜率达0.689bit/μm，线性度为0.993。由于熔接机的放电强度精度为1bit，所制备微球的尺寸误差可控制在1.5μm内。图6为干涉光纤2长度为40mm、错位量为4μm时，不同微球直径条件下反射光谱的消光比。微球直径为186μm时，最大消光比为14.43db。
58.本实用新型的进一步实施例中，商用单模光纤的纤芯和包层具有不同的热光系数和相似的热膨胀系数。且热光系数远大于热膨胀系数。环境温度变化时，干涉光纤2中纤芯
模与包层模的有效折射率差将因热光效应而产生变化，进而导致纤芯模式与包层模式间的相位差变化，最终导致干涉条纹的波长漂移。
59.本实用新型的进一步实施例中，如图7所示，在22℃至45℃的温度变化范围内，随温度升高，干涉仪的传输光谱向长波长方向漂移。如图8所示，两监测波谷点dip-1和dip-2的温度响应分别为39.3pm/℃和39.5pm/℃，线性度均大于0.99。
60.本实用新型的进一步实施例中，两监测波谷点dip-1和dip-2的温度响应一致性达99.49％，表明该基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪具有高度的稳定性。
61.本实用新型的进一步实施例中，采用二次电弧放电方法构建基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪，具有制作简单、稳定性好的优点。且在使用该基于端面微球结构的光纤迈克尔逊干涉仪进行其它传感测试中，可以通过差分方法方便地消除温度串扰。该干涉仪在制备、操作和响应一致性方面的诸多优势，令其在生化、液位及相关的工程传感检测中具有较高的潜力与实用性，可广泛应用于石油化工、公共供水、环境卫生等领域。
62.以上仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本实用新型说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。