专利名称：基于微尺寸锥形光纤探针的本征型f-p微腔高灵敏度温度传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器及其制造方法，属于光纤器件领域。
背景技术：
自上世纪70年代以来，光纤传感领域发展迅速。光纤及光纤器件是光纤传感的传输媒介，其发展程度的高低在很大程度上决定着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、重量轻和体积小易于集成，因而在很多行业比如建筑安全监测、电力系统、石油化工、生物生医、航空航天、环境保护监测和国防安全等领域均有着广阔和重要应用前景。随着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。近年来，随 着各种微加工技术不断成熟，基于光纤端面、光纤表面和光纤内部进行的微结构制备得到了大力发展，极大地推动各种新型光纤微传感器在传感方面的应用。F-P腔以及基于F-P腔的各种传感器已经被广泛的应用。本发明使用光纤熔接机把普通单模光纤制成锥形光纤，然后用HF酸溶液对其进行腐蚀变细制成微尺寸锥形光纤探针，然后使用飞秒激光器在其内部刻写F-P微腔，利用高阶模的高敏感度，可以实现比普通F-P腔更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的传感，再加以改进工艺以实现低损耗和高性能传感，可以应用在温度测量领域，这将在大型系统故障监控和健康监测等领域有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有单模光纤F-P腔传感存在的不足，提供一种基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度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温度传感。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案
I.一种基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，包括一根单模光纤、单模光纤前端的微尺寸锥形光纤探针以及在微尺寸锥形光纤探针前端内部的第一光纤内部反射镜、第二光纤内部反射镜，其特征在于所述第一光纤内部反射镜和第二光纤内部反射镜平行排列而形成本征型F-P微腔；所述微尺寸锥形光纤探针是由普通单模光纤经过光纤熔接机拉锥并用HF酸腐蚀变细制得的，所述第一光纤内部反射镜和第二光纤内部反射镜分别是通过飞秒脉冲激光沿微尺寸锥形光纤探针前端径向改变光纤的折射率形成的反射面；利用飞秒脉冲激光加工制备的基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，通过微尺寸锥形光纤探针激发出的高阶模和基模的干涉形成的反射光谱的高敏感性，可实现高灵敏度、高分辨率和大范围的温度测量，并改进工艺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包层直径约为100-150 iim，纤芯直径约为;所述微尺寸锥形光纤探针长为l(T20mm，前端直径为微纳米量级；所述第一反射镜和第二反射镜之间的距离为50飞00 u m。一种基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器的制造方法，用于制作上述所说的基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，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(I )，剥掉该单模光纤(I)中间部分长度为IOcm ± Icm的涂覆层，然后用光纤熔接机对其进行拉锥，得到光纤熔锥；然后用HF酸溶液进行腐蚀，得到直径为微纳米量级的微尺寸锥形光纤探针(2 )。飞秒脉冲激光在该微尺寸锥形光纤探针(2 )内部刻写F-P微腔将制备的微尺寸锥形光纤探针(2)置于三维移动平台(5)上，微尺寸锥形光纤探针
(2)的前端轴向垂直于飞秒脉冲激光光束(6)的传输方向；通过显微镜观察然后调整单模 光纤的位置，使飞秒脉冲激光(7)通过显微镜的物镜(8)聚焦于微尺寸锥形光纤探针(2)前端的中心，沿微尺寸锥形光纤探针(2)的径向移动三维平台，移动距离要保证飞秒脉冲激光能完全刻写微尺寸锥形光纤探针(2)前端的纤芯，移动速度为0. 8 u m/s^l u m/s，至此，一个反射面制备完成。再控制三维平台沿X轴方向向单模光纤的另一端移动所需腔长的距离5(r500i!m，然后重复刚才的操作，完成第二个反射面的制备。至此，则基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器制备完成。本发明的工作原理
与用常规制作方法制成的F-P腔相比，用飞秒脉冲激光微加工技术制成的F-P微腔性能更好，主要原因是因为飞秒脉冲激光微加工技术对脉冲激光的方向和功率控制更加精确。普通单模光纤F-P腔的反射光谱对比度小，分辨率低，自由光谱范围窄。而且由于普通单模光纤F-P腔的反射光谱主要是由于反射的基模和低阶模的干涉形成的，由于低阶模对外界环境的变化反应不灵敏，因此普通单模光纤F-P腔的传感灵敏度较低。相比普通单模光纤F-P腔，基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔(其结构图如图I所示)由于其直径很细，可以激发出高阶模，因此基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔的反射光谱是反射的基模和高阶模的干涉，由于高阶模对外界环境的变化反应更灵敏，因此，本发明可以实现比普通F-P腔更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的传感。而且，由于本发明是基于微尺寸的锥形光纤探针，其尺寸在微纳米量级，便于集成，且抗电磁干扰，成本低廉，这个优势不仅可以使本发明应用在工业、农业、国防等各领域的物理、生化等常规传感领域，而且在一些要求微尺寸、抗电磁干扰的传感领域具有广泛的应用前景。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点
(1)可实现高灵敏度、抗电磁干扰和快响应速度的微量检测；
(2)具有微尺寸的优势，便于集成以及应用在复杂环境中；
(3)微尺寸锥形光纤探针制作容易，成本低廉，便于大规模商用；
(4)所发明的器件结构简单，性能稳定可靠，并可以根据需求，制备不同腔长、不同反射系数的光纤内部反射镜的器件；
(5)飞秒脉冲激光微加工技术不需要昂贵的掩模版，成本低廉，重复性高，易于实现器件的批量加工。
图I是本发明中基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器的的结构图。图2是本发明利用飞秒激光在微尺寸锥形光纤探针的前端内部刻写F-P微腔的示意图。图3是本发明中测试器件反射信号的装置示意图。
具体实施方法
本发明的优选实施例并结合
如下
实施例一
参见图1，本基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，包括一根单模光纤、单模光纤前端的微尺寸锥形光纤探针以及在微尺寸锥形光纤探针前端内部的 第一光纤内部反射镜、第二光纤内部反射镜，其特征在于所述第一光纤内部反射镜和第二光纤内部反射镜平行排列而形成本征型F-P微腔；所述微尺寸锥形光纤探针是由普通单模光纤经过光纤熔接机拉锥并用HF酸腐蚀变细制得的，所述第一光纤内部反射镜和第二光纤内部反射镜分别是通过飞秒脉冲激光沿微尺寸锥形光纤探针前端径向改变光纤的折射率形成的反射面；利用飞秒脉冲激光加工制备的基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，通过微尺寸锥形光纤探针激发出的高阶模和基模的干涉形成的反射光谱的高敏感性，可实现高灵敏度、高分辨率和大范围的温度测量，并改进工艺以实现低损耗和高性能的传感特性。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包层直径约为100-150 iim，纤芯直径约为7 10 ;所述微尺寸锥形光纤探针长为l(T20mm，前端直径为微纳米量级；所述第一反射镜和第二反射镜之间的距离为50飞00 u m。实施例三
本基于微尺寸锥形光纤探针的本整型F-P微腔高灵敏度温度传感器的制造方法，用于制造上述温度传感器，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，剥掉该单模光纤中间部分长度为IOcm + Icm的涂覆层，然后用光纤熔接机对其进行拉锥，得到光纤熔锥；然后用HF酸溶液进行腐蚀，得到直径为微纳米量级的微尺寸锥形光纤探针。飞秒脉冲激光在该微尺寸锥形光纤探针；采用内部刻写F-P微腔将制备的微尺寸锥形光纤探针置于三维移动平台上，微尺寸锥形光纤探针的前端轴向垂直于飞秒脉冲激光光束的传输方向；通过显微镜观察然后调整单模光纤的位置，使飞秒脉冲激光通过显微镜的物镜聚焦于微尺寸锥形光纤探针前端的中心，沿微尺寸锥形光纤探针的径向移动三维平台，移动距离要保证飞秒脉冲激光能完全刻写微尺寸锥形光纤探针前端的纤芯，移动速度为0. 8U m/s^l u m/s,至此,一个反射面制备完成；再控制三维平台沿z轴方向向单模光纤的另一端移动所需腔长的距离50飞00 u m,然后重复操作，完成第二个反射面的制备；至此，基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器制备完成。实施例四
参见图1，本基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，包括一根单模光纤(I)、单模光纤前端的微尺寸锥形光纤探针(2 )以及在微尺寸锥形光纤探针(2 )前端内部的第一光纤内部反射镜(3)、第二光纤内部反射镜(4),第一光纤内部反射镜(3)和第二光纤内部反射镜(4)形成法布里-珀罗腔。所述单模光纤(I)包层直径约为125um，纤芯直径约为8. 5um ;所述微尺寸锥形光纤探针(2)是由普通单模光纤经过光纤熔接机拉锥并用HF酸腐蚀变细制得的，长为l(T20mm，前端直径为微纳米量级；所述第一光纤内部反射镜(3)和第二光纤内部反射镜(4)分别是通过飞秒脉冲激光沿微尺寸锥形光纤探针(2)前端内部径向改变光纤的折射率形成的反射面，第一反射镜和第二反射镜构成的F-P微腔的腔长约为5(T500um之间。实施例五
参见图2，本基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器的制造 方法，用于制作根据实施例一所述的利用飞秒脉冲激光在微尺寸锥形光纤探针(2)前端内部纤芯刻写F-P微腔。首先，取一根实施例一所制得的微尺寸锥形光纤探针，然后用飞秒脉冲激光在该锥形光纤探针(2)前端内部刻写F-P微腔将制备的锥形光纤探针(2)置于三维移动平台(5)上，使锥形光纤探针(2)轴向垂直于飞秒脉冲激光光束(6)的传输方向；通过显微镜观察并调整单模光纤的位置，使飞秒脉冲激光(7)通过显微镜的物镜(8)聚焦于锥形光纤探针(2)前端的中心，沿锥形光纤探针(2)的径向移动三维平台，移动距离要保证飞秒脉冲激光能完全刻写锥形光纤探针(2)的纤芯，移动速度为0. 8 u m/s^l u m/s，至此，一个反射面制备完成。再控制三维平台沿z轴方向向锥形光纤探针(2)的另一端移动所需腔长的距离Z，然后重复刚才的操作，完成第二个反射面的制备。至此，基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器制备完成。参见图3为本器件测试反射信号的装置示意图，包括一个宽带光源(9)，所述宽带光源(9)连接到光纤环形器(10)的输入端，所述光纤环形器(10)的输出端连接到实施例一所述的基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器(11)，所述光纤环形器(10)的反射端连接到光谱分析仪(12)测试反射光谱。通过光谱分析仪(12)记录器件的反射信号。
权利要求
1.一种基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，包括一根单模光纤(I)、单模光纤前端的微尺寸锥形光纤探针(2 )以及在微尺寸锥形光纤探针(2 )前端内部的第一光纤内部反射镜(3)、第二光纤内部反射镜(4)，其特征在于所述第一光纤内部反射镜(3)和第二光纤内部反射镜(4)平行排列而形成本征型F-P微腔；所述微尺寸锥形光纤探针(2)是由普通单模光纤经过光纤熔接机拉锥并用HF酸腐蚀变细制得的，所述第一光纤内部反射镜(3)和第二光纤内部反射镜(4)分别是通过飞秒脉冲激光沿微尺寸锥形光纤探针(2)前端径向改变光纤的折射率形成的反射面；利用飞秒脉冲激光加工制备的基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，通过微尺寸锥形光纤探针激发出的高阶模和基模的干涉形成的反射光谱的高敏感性，可实现高灵敏度、高分辨率和大范围的温度测量，并改进工艺以实现低损耗和高性能的传感特性。
2.根据权利I所述的基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，特征在于所述单模光纤(I)包层直径约为100-150 μ m,纤芯直径约为7 10 μ m ;所述微尺寸锥形光纤探针(2)长为l(T20mm，前端直径为微纳米量级；所述第一反射镜(3)和第二反射镜(4)之间的距离为5(Γ500μπι。
3.一种基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器的制造方法，用于制作根据权利要求I所述的基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，其制造工艺操作步骤如下 首先，取一根长度为Im ± O. 2m的单模光纤(I),剥掉该单模光纤(I)中间部分长度为IOcm ± Icm的涂覆层，然后用光纤熔接机对其进行拉锥，得到光纤熔锥；然后用HF酸溶液进行腐蚀，得到直径为微纳米量级的微尺寸锥形光纤探针(2);飞秒脉冲激光在该微尺寸锥形光纤探针(2);采用内部刻写F-P微腔将制备的微尺寸锥形光纤探针(2)置于三维移动平台(5)上，微尺寸锥形光纤探针(2)的前端轴向垂直于飞秒脉冲激光光束(6)的传输方向；通过显微镜观察然后调整单模光纤的位置，使飞秒脉冲激光(7)通过显微镜的物镜(8)聚焦于微尺寸锥形光纤探针(2)前端的中心，沿微尺寸锥形光纤探针(2)的径向移动三维平台，移动距离要保证飞秒脉冲激光能完全刻写微尺寸锥形光纤探针(2)前端的纤芯，移动速度为O. 8 μ m/s^l μ m/s,至此，一个反射面制备完成；再控制三维平台沿轴方向向单模光纤的另一端移动所需腔长的距离5(Γ500μπι，然后重复操作，完成第二个反射面的制备；至此，基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器制备完成。
全文摘要
本发明提出一种基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器及其制造方法。该高灵敏度温度传感器由一根微尺寸锥形光纤探针和在其内部的F-P微腔构成。F-P微腔由微尺寸锥形光纤探针内部的一个第一光纤内部反射镜和一个第二光纤内部反射镜构成，光纤内部反射镜是通过飞秒脉冲激光沿微尺寸锥形光纤探针的前端径向改变光纤折射率形成的反射面；微尺寸锥形光纤探针直径为微纳米量级；第一光纤内部反射镜和第二光纤内部反射镜之间的距离为50~500μm。本器件的制造方法是先用熔接机对普通单模光纤进行拉锥，然后用化学溶液(HF酸)腐蚀光纤，使光纤变细到一定程度制成微尺寸锥形光纤探针，再用飞秒激光在微尺寸锥形光纤探针内部刻写F-P微腔。
文档编号G01K11/32GK102967388SQ20121042919
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者张小贝, 殷赵辉, 李扬, 庞拂飞, 刘云启, 王廷云 申请人:上海大学