光纤传感器及其制作方法
【专利摘要】本发明提供一种光纤传感器，所述光纤传感器包括第一光纤部、第二光纤部和拉锥部，所述第一光纤部、所述第二光纤部和所述拉锥部为同一根微纳光纤的不同部分；其中，所述拉锥部位于所述第一光纤部和所述第二光纤部之间，其包括微纳光纤包层和形成在所述微纳光纤包层内部的光纤微腔结构，所述光纤微腔结构沿所述拉锥部的延伸方向，且其两端分别与所述第一光纤部的纤芯和所述第二光纤部的纤芯相对准；并且，所述拉锥部还包括至少一个微流体通道，所述微流体通道与所述光纤微腔结构相连通，并且延伸到所述微纳光纤包层的外表面。本发明还提供一种所述光纤传感器的制造方法。
【专利说明】
光纤传感器及其制作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤检测技术，特别地，涉及一种光纤传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器由于具有体积小、质量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强并且易于进行分 布式多参量同时测量的优点，被广泛应用于航空航天、石油、化工、电力等诸多领域。集成 化、智能化、网络化是光纤传感器的发展趋势，而高性能化和微型化是光纤传感器上述趋势 的基础。
[0003] 例如，在生物医学领域，需要利用灵敏度高、尺寸小的光纤传感探头对微小或难以 测量的部位(如血管、头盖骨等)进行微创检测。在航空航天领域，一般则需要数百个光纤传 感器监测飞机的应变、温度、振荡、起落驾驭、超声波场和加速度情况，因此光纤传感器的尺 寸要尽可能小，以减少飞行器重量及能源消耗，延长飞行时间。此外，在工业及智能服装领 域也需要将光纤传感嵌入复合材料内部测量温度、应变等参量，这些都对光纤传感器的灵 敏度、精度和尺寸提出了更高要求。
[0004] 微纳光纤传感技术正是应上述需求而快速发展起来的新型光纤传感方法。其中， 干涉型微纳光纤传感器通过探测干涉条纹移动来实现对外界介质特性改变的测量，具有较 高的灵敏度及响应速度，因受到越来越多的关注。近年来，业界在低折射率衬底上分别用氧 化娃和蹄酸盐玻璃微纳光纤成功研制了微纳光纤马赫-曾德尔干涉仪(Microfiber-based Mach-Zehnder Interferometer,MMZI)，并且基于上述MMZI制作出折射率传感器、电流传感 器、氨气传感器和压力传感器等一系列的干涉型微纳光纤传感器。
[0005] 尽管目前对干涉型微纳光纤传感器的研究取得了一些进展，不过，现有的干涉型 微纳光纤传感器一般需要通过两根微纳光纤熔接而成，基于单根微纳光纤的干涉型微纳光 纤传感方面的工作很少，成果非常有限。为了进一步提高干涉型微纳光纤传感器的灵敏度 并优化其尺寸，迫切需要研究基于单根微纳光纤干涉的传感技术及其制作方法，进一步满 足光纤传感器高性能化及微型化发展需要。
【发明内容】
[0006] 本发明的其中一个目的是为了改进现有技术的上述缺陷而提供了一种光纤传感 器;本发明的另一个目的是提供一种采用所述光纤传感器的制造方法。
[0007] 本发明提供的光纤传感器，包括第一光纤部、第二光纤部和拉锥部，所述第一光纤 部、所述第二光纤部和所述拉锥部为同一根微纳光纤的不同部分;其中，所述拉锥部位于所 述第一光纤部和所述第二光纤部之间，其包括微纳光纤包层和形成在所述微纳光纤包层内 部的光纤微腔结构，所述光纤微腔结构沿所述拉锥部的延伸方向，且其两端分别与所述第 一光纤部的纤芯和所述第二光纤部的纤芯相对准；并且，所述拉锥部还包括至少一个微流 体通道，所述微流体通道与所述光纤微腔结构相连通，并且延伸到所述微纳光纤包层的外 表面。
[0008] 在本发明提供的光纤传感器的一种较佳实施例中，所述拉锥部包括两个微流体通 道，所述两个微流体通道分别形成在所述拉锥部与所述第一光纤部和所述第二光纤部的连 接处。
[0009] 在本发明提供的光纤传感器的一种较佳实施例中，所述微流体通道采用单侧流通 方式，其从所述光纤微腔结构的其中一侧边缘垂直延伸到所述微纳光纤包层的外表面。
[0010] 在本发明提供的光纤传感器的一种较佳实施例中，所述微流体通道采用上下流通 方式，其从所述光纤微腔结构的其中一侧边缘分别垂直延伸到所述微纳光纤包层上下两侧 的外表面。
[0011] 在本发明提供的光纤传感器的一种较佳实施例中，所述第一光纤部用于接收检测 光，且所述检测光经过所述第一光纤部传输之后分成第一路检测光和第二路检测光，所述 第一路检测光经过所述拉锥部的微纳光纤包层传输到所述第二光纤部，而所述第二路检测 光经过所述拉锥部的光纤微腔结构传输到所述第二光纤部，且与所述第一路检测光相互叠 加并产生干涉;其中所述光纤传感器通过检测所述第二光纤部输出的干涉信号的相位和强 度变化来实现对待测量进行检测。
[0012] 本发明提供的光纤传感器的制造方法，用于制作如上所述的光纤传感器，所述光 纤传感器的制作方包括:通过拉锥方式在单根微纳光纤形成第一光纤部、第二光纤部和拉 锥部;在所述微纳光纤的拉锥部制作出至少一个微流体通道，所述微流体通道从所述拉锥 部的微纳光纤包层外表面延伸到其内部;利用飞秒激光加工方式在所述拉锥部内部形成光 纤微腔结构，所述光纤微腔结构与所述微流体通道相连通，且在加工过程中所述光纤微腔 结构的碎肩通过辅助液体从所述微流体通道流出。
[0013] 本发明提供的光纤传感器的制造方法的一种较佳实施例中，所述利用飞秒激光加 工方式在所述拉锥部内部形成光纤微腔结构包括:提供一个位移平台，所述位移平台包括 收容有辅助液体的收容槽，且所述收容槽的底部设置有固定装置;将具有所述微纳光纤浸 泡于所述辅助液体，并采用所述微流体通道开口朝下的方式固定在所述固定装置;利用飞 秒激光器向所述微纳光纤的拉锥部内部进行飞秒激光微加工处理，从而在所述拉锥部内部 制作出所述光纤微腔结构。
[0014] 本发明提供的光纤传感器的制造方法的一种较佳实施例中，所述飞秒激光器采用 径向扫描和横向扫描相叠加的扫描方式对所述拉锥部的内部进行飞秒激光微加工处理。
[0015] 本发明提供的光纤传感器的制造方法的一种较佳实施例中，所述微纳光纤的拉锥 部两端与所述第一光纤部和所述第二光纤部的连接处分别形成有微流体通道。
[0016] 本发明提供的光纤传感器的制造方法的一种较佳实施例中，所述飞秒激光器从所 述微纳光纤的拉锥部两端的微流体通道开始，以直径逐渐减小的螺旋状扫描方式对所述拉 锥部的内部进行飞秒激光扫描。
[0017] 本发明提供的光纤传感器通过将所述拉锥部内部的纤芯完全移除来形成所述光 纤微腔结构，从而可以使得检测光在经过所述微纳光纤包层和所述光纤微腔结构产生干 涉，实现对待测参数的检测。相较于现有技术，本发明提供的光纤传感器可以实现基于单根 微纳光纤制作而成的干涉型传感器，从而满足光纤传感器的高性能化和微型化的需求。
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附 图，其中：
[0019] 图1是本发明提供的光纤传感器一种实施例的结构示意图；
[0020]图2是本发明提供的光纤传感器另一种实施例的结构示意图；
[0021 ]图3是本发明提供的光纤传感器的制造方法一种实施例的流程示意图；
[0022] 图4是图3所示的光纤传感器的制造方法的飞秒激光加工示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范 围。
[0024] 请参阅图1，其是本发明提供的光纤传感器一种实施例的结构示意图，所述光纤传 感器100为基于单根微纳光纤制作而成的光纤传感器，其包括第一光纤部110、第二光纤部 120和拉锥部130。其中，所述第一光纤部110、所述第二光纤部120和所述拉锥部130为同一 根光纤的不同部分。在本实施例中，所述拉锥部130可以通过拉锥方式形成于所述第一光纤 部110和所述第二光纤部120之间，因此其直径小于所述第一光纤部110和所述第二光纤部 120的直径，且所述第一光纤部110和所述第二光纤部120可以均为单模光纤。
[0025] 所述第一光纤部110包括第一纤芯111和包覆所述第一纤芯111的第一光纤包层 111;所述第二光纤部120包括第二纤芯121和包覆所述第二纤芯121的第二光纤包层122。其 中，所述第一光纤部110的第一纤芯111和所述第二光纤部120的第二纤芯121相互对准。
[0026] 所述拉锥部130包括光纤微腔结构131和包覆所述光纤微腔结构131的微纳光纤包 层132。在具体实施例中，所述光纤微腔结构131可以为沿所述拉锥部130的延伸方向开设的 微型腔体，其可以利用飞秒激光微加工技术加工而成。所述光纤微腔结构131的两端分别与 所述第一光纤部110的第一纤芯111和所述第二光纤部120的第二纤芯121相互对准。并且， 所述光纤微腔结构131的横截面积大于所述第一纤芯111和所述第二纤芯121的横截面积； 也即是说，所述拉锥部130在所述光纤微腔结构111所在的区域，所述微纳光纤包层132包覆 的纤芯被完全移除。
[0027] 另外，在所述光纤传感器100中，所述拉锥部130还可以包括微流体通道133,所述 微流体通道133可以开设在所述微纳光纤包层132,其可以连通所述拉锥部130内部的光纤 微腔结构131和所述光纤传感器100的外部环境，以便于在所述光纤微腔结构131加工完成 之后通过辅助液体移除所述光纤微腔结构131的碎肩。
[0028] 在本实施例中，如图1所示，所述微流体通道133可以形成在所述拉锥部130两端与 所述第一光纤部110和所述第二光纤部120的连接处，且每一个微流体通道133可以从所述 光纤微腔结构131的一种一侧边缘垂直延伸到所述微纳光纤包层132的外表面，即所述微流 体通道133采用单侧流通的方式。可替代地，在图2所示的另一种实施例中，所述微流体通道 133同样形成在所述拉锥部130两侧与所述第一光纤部110和所述第二光纤部120的连接处， 不过，与图1所示的实施例不同的是，在图2所示的实施例中，所述拉锥部130的微流体通道 133采用上下流通的方式，即是每一个微流体通道133从所述光纤微腔结构131的两侧边缘 分别垂直延伸到所述微纳光纤包层132的两相对侧（比如上下两侧）的外表面，从而便于所 述碎肩通过辅助液体从所述微纳光纤包层132的两相对侧流出。
[0029] 在所述光纤传感器100的工作过程中，检测光从所述第一光纤部110入射到所述光 纤传感器100,并通过所述第一纤芯111传输至所述拉锥部130。由于所述拉锥部130的纤芯 被移除而形成所述光纤微腔结构131，因此从所述第一纤芯111输出的检测光将分成两路， 即是第一路检测光和第二路检测光，分别记为I#PI 2。其中，所述第一路检测光1:将进入所 述微纳光纤包层132并通过所述微纳光纤包层132传输至所述第二光纤部120,而所述第二 路检测光I 2将进入所述光纤微腔结构131并通过所述光纤微腔结构131传输至所述第二光 纤部120。并且，所述第一路检测光I 1和所述第二路检测光I2在所述第二光纤部120的第二纤 芯121相互叠加并产生干涉，因此从所述第二纤芯121输出的干涉信号具体可以通过以下表 达式（1)进行表示：
[0030]
[0031]其中，I表示所述干涉信号的强度，L为所述光纤微腔结构131的长度，Δη为所述微 纳光纤包层132的折射率nflbCT与所述光纤微腔结构131的折射率Iiravlty之差。通过检测所述 第二纤芯121输出的干涉信号的相位和强度变化，可以实现对待测量的检测。
[0032] 例如，温度、压力、折射率等参量变化时会使所述光纤传感器100内部的干涉光程 差发生改变，干涉光谱相位随之发生改变，因此通过所述光纤传感器100可以实现对上述参 数的检测。如果所述光纤传感器100应用于生物检测时，可以在所述拉锥部130的微纳光纤 包层132表面设置生物敏感材料，所述生物敏感材料与被测物质作用产生荧光，其中部分荧 光进入所述光纤传感器100,通过检测是否激发出荧光信号及荧光信号的强度大小来分析 待测物的有无及含量。
[0033] 本发明提供的光纤传感器100通过将所述拉锥部130内部的纤芯完全移除来形成 所述光纤微腔结构131，从而可以使得检测光在经过所述微纳光纤包层132和所述光纤微腔 结构131产生干涉，实现对待测参数的检测。相较于现有技术，本发明提供的光纤传感器100 可以实现基于单根微纳光纤制作而成的干涉型传感器，从而满足光纤传感器的高性能化和 微型化的需求。
[0034] 基于上述光纤传感器100,发明还进一步提供一种光纤传感器的制造方法，其可以 用来制作如以上实施例所描述的光纤传感器1〇〇。请参阅图3,其为本发明提供的光纤传感 器的制造方法一种实施例的流程示意图。所述光纤传感器的制造方法主要包括以下步骤： [0035] 步骤Sl，在单根微纳光纤形成第一光纤部、第二光纤部和拉锥部；
[0036]如图1所示，所述微纳光纤可以为单模光纤，其可以通过拉锥处理之后形成所述第 一光纤部110、所述第二光纤部120和所述拉锥部130;其中，所述拉锥部130位于所述第一光 纤部110和所述第二光纤部120之间，且其直径小于所述第一光纤部110和所述第二光纤部 120的直径。
[0037] 步骤S2,在所述微纳光纤的拉锥部制作出至少一个微流体通道；
[0038] 具体而言，在本步骤中，所述微流体通道133可以为两个，且二者可以分别形成在 所述拉锥部130两端与所述第一光纤部110和所述第二光纤部120的连接处。如图1所示，在 一种可选的实现方式中，所述微流体通道133可以从所述拉锥部130的微纳光纤包层132外 表面垂直延伸到所述微纳光纤包层132内部，比如其可延伸到所述拉锥部130的纤芯部分。 可替代地，在另一种可选的实现方式中，所述微流体通道133也可以从所述微纳光纤包层 132的其中一侧外表面垂直延伸到另一侧外表面，从而形成上下流通的结构。
[0039]步骤S3,利用飞秒激光加工方式在所述拉锥部内部形成光纤微腔结构；
[0040]请参阅图4,在步骤S3中，首先，提供一个位移平台400,所述位移平台400包括收容 有辅助液体402的收容槽401，且所述收容槽401的底部设置有固定装置403,所述固定装置 403主要用于固定待加工的微纳光纤。所述辅助液体402可以为蒸馏水或者去离子水，可选 地，为获得更薄的液膜，所述辅助液体402还可以进一步加入挥发性液体。
[0041] 其次，将具有所述微流体通道133的微纳光纤固定在所述固定装置403,且所述微 纳光纤整体浸泡于所述辅助液体402之中，并且，所述微纳光纤采用所述微流体通道133开 口朝下的方式进行固定。
[0042] 接着，利用飞秒激光器向所述微纳光纤的拉锥部130内部进行飞秒激光微加工处 理，从而在所述拉锥部130内部制作出所述光纤微腔结构131。如图1和图2所示，所述光纤微 腔结构131具体可以为沿所述拉锥部130的延伸方向形成在所述第一光纤部110和所述第二 光纤部120之间的微型腔体，并与所述微流体通道133相连通，且所述光纤微腔结构131的两 端分别与所述第一光纤部110的第一纤芯111和所述第二光纤部120的第二纤芯121相互对 准。并且，所述光纤微腔结构131的横截面积大于所述第一纤芯111和所述第二纤芯121的横 截面积;也即是说，在所述光纤微腔结构111中，所述拉锥部130的微纳光纤包层132包覆的 纤芯被完全移除。
[0043]应当理解的是，在所述光纤微腔结构131的飞秒激光加工过程中，所述拉锥部130 内部的纤芯被将由于所述飞秒激光的烧蚀而产生碎肩。由于在本发明提供的光纤传感器的 制造方法，所述微纳光纤是浸泡在所述辅助液体402中进行飞秒激光微加工的，因此所述碎 肩将会通过辅助液体的流动作用从所述微流体通道133自行流出，从而得到所述光纤微腔 结构133。
[0044] 为更好地理解本发明提供的光纤传感器的制造方法，以下具体介绍步骤S3的飞秒 激光微加工的原理和加工方式。具体而言，由于所述微纳光纤为透明材料，所述飞秒激光器 提供的飞秒激光可以穿透到透明的微纳光纤内部，且在焦平面附近超过刻蚀能量阈值的局 部区域才能起到烧蚀的作用；因此，通过改变所述飞秒激光器的激光焦点与所述微纳光纤 的相对位置，将所述飞秒激光的焦斑从所述微纳光纤的拉锥部130的侧面逐渐进入所述拉 锥部130的内部进行扫描，从而满足在所述微纳光纤的拉锥部130内部制作出所述光纤微腔 结构131的要求。
[0045] 并且，当所述飞秒激光器使用接近烧蚀阈值的激光通量进行微加工时，所述辅助 液体402产生的气泡体积微小且均匀、黏性较高、雷诺数较低，不会剧烈破裂从而使材料产 生微裂纹，进而可以提高加工质量。另外，在一定范围内，所述飞秒激光器的扫描速度的降 低会得到更深的微通道，但如果扫描速度太低的话，不断累积的激光能量容易导致所述辅 助液体402产生过多气泡，阻止碎肩的喷出，有可能影响加工精度和加工效率，所以扫描速 度并非是越慢越好。因此，可以选择合适的扫描速度，兼顾微通道长径比、加工精度以及加 工效率。
[0046] 在具体实施例中，所述飞秒激光器可以采用径向扫描或横向扫描两种扫描方式， 其中，所述径向扫描方式能够使得所述光纤微腔结构131保持较好的孔形圆度，而所述横向 扫描方式则有利于制备较长的光纤微腔结构131。在本实施例中，所述飞秒激光器可以采用 这两种扫描方式的叠加的方式进行所述光纤微腔结构131的制作。并且，由于所述飞秒激光 焦斑从所述微纳光纤的拉锥部130侧面逐渐进入所述拉锥部130的内部进行扫描，因此在远 离所述光纤微腔结构131的锥度可能变大，因此，本实施例可以分别从所述微纳光纤的拉锥 部130两端的微流体通道131开始，进行直径逐渐减小的螺旋状扫描，以减小甚至消除在所 述飞秒激光为加工过程中形成的锥度。
[0047] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领 域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。
【主权项】
1. 一种光纤传感器，其特征在于，包括第一光纤部、第二光纤部和拉锥部，所述第一光 纤部、所述第二光纤部和所述拉锥部为同一根微纳光纤的不同部分;其中，所述拉锥部位于 所述第一光纤部和所述第二光纤部之间，其包括微纳光纤包层和形成在所述微纳光纤包层 内部的光纤微腔结构，所述光纤微腔结构沿所述拉锥部的延伸方向，且其两端分别与所述 第一光纤部的纤芯和所述第二光纤部的纤芯相对准；并且，所述拉锥部还包括至少一个微 流体通道，所述微流体通道与所述光纤微腔结构相连通，并且延伸到所述微纳光纤包层的 外表面。2. 如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述拉锥部包括两个微流体通道，所 述两个微流体通道分别形成在所述拉锥部与所述第一光纤部和所述第二光纤部的连接处。3. 如权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述微流体通道采用单侧流通方式， 其从所述光纤微腔结构的其中一侧边缘垂直延伸到所述微纳光纤包层的外表面。4. 如权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述微流体通道采用上下流通方式， 其从所述光纤微腔结构的其中一侧边缘分别垂直延伸到所述微纳光纤包层上下两侧的外 表面。5. 如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一光纤部用于接收检测光，且 所述检测光经过所述第一光纤部传输之后分成第一路检测光和第二路检测光，所述第一路 检测光经过所述拉锥部的微纳光纤包层传输到所述第二光纤部，而所述第二路检测光经过 所述拉锥部的光纤微腔结构传输到所述第二光纤部，且与所述第一路检测光相互叠加并产 生干涉;其中所述光纤传感器通过检测所述第二光纤部输出的干涉信号的相位和强度变化 来实现对待测量进行检测。6. -种光纤传感器的制造方法，用于制作如权利要求1至5中任一项所述的光纤传感 器，其特征在于，所述光纤传感器的制造方法包括： 通过拉锥方式在单根微纳光纤形成第一光纤部、第二光纤部和拉锥部； 在所述微纳光纤的拉锥部制作出至少一个微流体通道，所述微流体通道从所述拉锥部 的微纳光纤包层外表面延伸到其内部； 利用飞秒激光加工方式在所述拉锥部内部形成光纤微腔结构，所述光纤微腔结构与所 述微流体通道相连通，且在加工过程中所述光纤微腔结构的碎肩通过辅助液体从所述微流 体通道流出。7. 如权利要求6所述的光纤传感器的制造方法，其特征在于，所述利用飞秒激光加工方 式在所述拉锥部内部形成光纤微腔结构包括： 提供一个位移平台，所述位移平台包括收容有辅助液体的收容槽，且所述收容槽的底 部设置有固定装置； 将具有所述微纳光纤浸泡于所述辅助液体，并采用所述微流体通道开口朝下的方式固 定在所述固定装置； 利用飞秒激光器向所述微纳光纤的拉锥部内部进行飞秒激光微加工处理，从而在所述 拉锥部内部制作出所述光纤微腔结构。8. 如权利要求7所述的光纤传感器的制造方法，其特征在于，所述飞秒激光器采用径向 扫描和横向扫描相叠加的扫描方式对所述拉锥部的内部进行飞秒激光微加工处理。9. 如权利要求7所述的光纤传感器的制造方法，其特征在于，所述微纳光纤的拉锥部两 端与所述第一光纤部和所述第二光纤部的连接处分别形成有微流体通道。10.如权利要求9所述的光纤传感器的制造方法，其特征在于，所述飞秒激光器从所述 微纳光纤的拉锥部两端的微流体通道开始，以直径逐渐减小的螺旋状扫描方式对所述拉锥 部的内部进行飞秒激光扫描。
【文档编号】G01D5/26GK105890632SQ201610209372
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】王闵, 陈 全, 许明耀
【申请人】武汉纺织大学