基于飞秒激光微加工的光纤马赫泽德传感器及其制作方法与流程

本发明属于光纤传感器领域，具体涉及一种光纤马赫泽德传感器及其制作方法。

背景技术：

光纤传感器是目前可实用化的小尺寸传感头之一，它具有抗电磁干扰、抗辐射、灵敏度高、重量轻、绝缘防爆、耐腐蚀等优异的性能，特别的是光纤的尺寸微小、且具有良好的光传输特性，将成为制备网络化微型传感器的重要选择，因此，受到国内外研究者的青睐和重视。光纤传感器的发展趋势是微型化和高性能，因此具有小尺寸、高灵敏度、快响应速度和微量检测等优势的新型光纤传感器成为近年来研究的热点。近年来，随着各种微加工技术不断成熟，基于光纤端面和光纤内部而进行的微结构制备得到了迅速发展，飞秒激光微加工技术成为制作微型光纤传感器的一种重要方法。现有的光纤传感器大多采用马赫-泽德干涉仪结构，例如公开号为CN104215270A的发明专利“飞秒激光脉冲序列加工的全光纤传感器及其制作方法”，采用飞秒激光脉冲序列微加工和氢氟酸腐蚀的方法，加工制作过程很复杂，不便于批量化生产，在实际使用中受到限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于飞秒激光微加工的光纤马赫泽德传感器及其制作方法，具有制作简单、尺寸小巧、牢固性好等优点。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于飞秒激光微加工的光纤马赫泽德传感器，包括纤芯(1)、包层(2)、空气泡(3)；空气泡(3)位于光纤内，为椭圆形，长轴为50μm，短轴为40μm，空气泡的中心与光纤纤芯中心的距离为8-10μm。

一种基于飞秒激光微加工的光纤马赫泽德传感器的制作方法，包括以下步骤：

(1)取单模光纤，用剥纤钳剥除光纤涂覆层，用切割刀切出一个整洁的光纤端面；

(2)采用飞秒激光微加工，激光波长为800nm，重复频率1KHz，脉宽120fs，最高输出功率100mW，经过快门和衰减片调整到1mW左右，然后经过20倍物镜聚焦到光纤端面上，光纤固定在精度0.1μm的三维平移台上；

(3)在光纤端面上烧蚀出一个矩形，宽度28μm长度32μm，深度40-50μm，矩形中心与光纤纤芯中心的距离为18μm；

(4)将经过烧蚀的光纤端面用酒精清洗1分钟后，与另一端无处理的光纤端面进行熔接， 熔接后即可在光纤中形成空气泡，从而获得一个光纤马赫泽德传感器。

一种基于飞秒激光微加工的光纤马赫泽德传感器的工作方式为：光从单模光纤左端进入纤芯，到达空气泡左边时，一部分光经过空气泡直线传播到空气泡右边，另一部分光经反射进入包层，然后在包层与外界物质的分界面再次反射，反射光到达空气泡右边时继续反射，从而与直接穿过空气泡的光一起进入纤芯，从单模光纤的右端输出，由于两部分光经过的光路不同，产生了光程差，因而产生了干涉光谱；干涉光谱的对比度会随着光纤包层外面的物质折射率发生改变，通过预先标定的干涉光谱对比度与折射率的关系可获得物质折射率的大小。

本发明的有益之处在于：

1.本发明不需要氢氟酸腐蚀处理，也不需要拉锥，加工制作安全、快捷。

2.本发明首先在光纤端面上进行微加工，然后进行光纤熔接，整个加工过程容易控制，效果明显。

3.微加工形成的空气泡尺寸微小，保持了光纤的牢固性，提高了传感器的实用性。

附图说明

下面结合附图及具体的实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的基于飞秒激光微加工的光纤马赫泽德传感器进行折射率测量时获得的干涉光谱图。

附图中，1：纤芯；2：包层；3：空气泡。

具体实施方法

下面结合附图进行详细说明：

图1中，一种基于飞秒激光微加工的光纤马赫泽德传感器，包括纤芯1、包层2、空气泡3；空气泡3位于光纤内，为椭圆形，长轴为50μm，短轴为40μm，空气泡的中心与光纤纤芯中心的距离为8-10μm。

一种基于飞秒激光微加工的光纤马赫泽德传感器的制作方法，包括以下步骤：

(1)取单模光纤，用剥纤钳剥除光纤涂覆层，用切割刀切出一个整洁的光纤端面；

(2)采用飞秒激光微加工，激光波长为800nm，重复频率1KHz，脉宽120fs，最高输出功率100mW，经过快门和衰减片调整到1mW左右，然后经过20倍物镜聚焦到光纤端面上，光纤固定在精度0.1μm的三维平移台上；

(3)在光纤端面上烧蚀出一个矩形，宽度28μm长度32μm，深度40-50μm，矩形中心与光纤中心轴线的距离为18μm；

(4)将经过烧蚀的光纤端面用酒精清洗1分钟后，与另一端无处理的光纤端面进行熔接，熔接后即可在光纤中形成空气泡，从而获得一个光纤马赫泽德传感器。

如图1所示，一种基于飞秒激光微加工的光纤马赫泽德传感器的工作方式为：光从单模光纤左端进入纤芯，到达空气泡左边时，一部分光经过空气泡直线传播到空气泡右边，另一部分光经反射进入包层，然后在包层与外界物质的分界面再次反射，反射光到达空气泡右边时继续反射，从而与直接穿过空气泡的光一起进入纤芯，从单模光纤的右端输出，由于两部分光经过的光路不同，产生了光程差，因而产生了干涉光谱；干涉光谱的对比度会随着光纤包层外面的物质折射率发生改变，通过预先标定的干涉光谱对比度与折射率的关系可获得物质折射率的大小。

图2为本发明的基于飞秒激光微加工的光纤马赫泽德传感器进行折射率测量时获得的干涉光谱图。图中，当光纤包层外面的物质折射率为1.0时，波长1552nm处的光谱对比度为7.2dB；当折射率为1.333时光谱对比度为2.32dB；当折射率为1.37时光谱对比度为1.85dB；当折射率为1.39时光谱对比度为1.55dB。根据实验数据标定的干涉光谱对比度(Y)与折射率(X)的关系为：Y＝-14.4*X+21.6，因此，只要测得光谱对比度，代入此关系式，就可以计算出物质折射率的大小。