一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器的制作方法

本发明涉及一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，属于光纤传感领域。

背景技术：

近年来，对于高温环境下的振动监测有了越来越多的需求，例如航空发动机的监测、大型设备的发电机、发动机、电动机监测等，工作温度可达1200℃。

传统的高温振动传感器，依据将机械振动信号转换成电信号的原理可分为电涡流型、电磁感应型和压电效应型。由这些原理制成的商用高温振动传感器，如北航工艺所的SHQ-80、B.K公司的8310型、ENDVCO公司的6237M69A型和6237M70型，体积较大，且不能实现高于700℃的高温振动监测。

近年来，为了进一步缩小振动传感器的体积，并提升振动传感器的工作温度，人们将目光转向光纤领域。光纤光栅广泛应用于振动测量，通常的做法是将光栅固定在悬臂梁上，通过波长的漂移检测出振动信号。但由于光纤光栅不能在300℃以上的高温中存活，所以基于光纤光栅制作的振动传感器不能实现300℃以上的高温振动监测。Perrone G等人提出一种非接触式强度调制型光纤振动传感器，但光源输出的波动和光纤距离振源位置的变化都会给传感器带来较大误差，且由于封装等原因的限制，也不能实现300℃以上的高温振动测量(Perrone G,Vallan A.A low-cost optical sensor for noncontact vibration measurements[J].Instrumentation and Measurement,IEEE Transactions on,2009,58(5):1650-1656.)。Gangopadhyay等人提出一种外腔式法布里-珀罗型振动传感器，当外界发生振动时，弹性反射镜的振动会改变法布里珀罗干涉仪的腔长，通过检测其相位变化，实现振动探测，但由于反射镜和透镜制作材料的限制，该方案也不能在500℃以上的高温环境下使用(Gangopadhyay T K,Chakravorti S,Bhattacharya K,et al.Wavelet analysis of optical signal extracted from a non-contact fibre-optic vibration sensor using an extrinsic Fabry–Perot interferometer[J].Measurement Science and Technology,2005,16(5):1075.)。Rines等人提出了基于单模光纤自身弹性的透射式外调制型光纤振动传感器，但由于封装等问题，该传感器并不能在800℃以上的高温环境中使用(Rines G A.Fiber-optic accelerometer with hydrophone applications[J].Applied optics,1981,20(19):3453-3459.)。Berthold等人对渐变型多模光纤和阶跃型多模光纤的微弯曲特性进行了分析，并应用于振动测量，但基于光纤的限制，并不能在800℃以上的高温环境下进行振动探测(Berthold III J W.Historical review of microbend fiber optic sensors[C]//10th Optical Fibre Sensors Conference.International Society for Optics and Photonics,1994:182-186.)。Ricardo等人利用聚焦离子束技术，制作了全光纤高温振动传感器(AndréR M,Pevec S,Becker M,et al.Focused ion beam post-processing of optical fiber Fabry-Perot cavities for sensing applications[J].Optics express,2014,22(11):13102-13108.)。该传感器体积小、可耐1000℃高温，但是加工所需设备昂贵，且光学反射面由离子束轰击而成，很难做到十分平整，导致反射率较低，信号较弱。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，该传感器体积小(φ125μm×1200μm)，可在1200℃高温环境下工作。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，包括：单模光纤，空芯光纤，实芯光纤；其中，实芯光纤由质量块和悬臂梁组成；

单模光纤、空芯光纤和实芯光纤顺序熔接；所述实芯光纤的质量块为圆柱体，该圆柱体的直径小于空芯光纤的内径；空芯光纤和实芯光纤通过悬臂梁固定连接；所述质量块和悬臂梁是通过用飞秒激光从实芯光纤端面烧蚀形成的。

所述空芯光纤的长度为30μm-1000μm，外径与单模光纤外径相同或接近，内径为10μm-100μm；所述实芯光纤长度为20μm-200μm。

加工方法：

步骤一、单模光纤和空芯光纤熔接；

步骤二、切除多余的空芯光纤；

步骤三、空芯光纤和实芯光纤熔接；

步骤四、切除多余的实芯光纤；

步骤五、飞秒激光烧蚀实芯光纤；

步骤六、端面粗糙化处理。

工作过程：

探测光由单模光纤导入，在单模光纤与空芯光纤的熔接面形成第一次菲涅尔反射，在空芯光纤与实芯光纤的熔接面形成第二次菲尼尔反射，两次反射形成双光束干涉，反射光通过单模光纤导出至解调仪。当所述传感器受到平行于光纤轴向方向的振动时，质量块带动悬臂梁产生微弯，从而改变干涉仪的光程差，从而形成干涉型光纤振动传感器。

有益效果：

1、本发明的一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，体积小，直径为125μm，长度不到1200μm，且耐1200℃高温；

2、本发明的一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，干涉信号质量好，有利于解调出振动信号。

3、本发明采用飞秒激光烧蚀实芯光纤形成悬臂梁和质量块，大大减小了实芯光纤的抗弯刚度，使得输入的振动信号强度一定时，悬臂梁产生更大的弯曲，导致布里-珀罗干涉仪的腔长发生更大的变化，从而提高本振动传感器的灵敏度。

4、本发明的振动传感部分为飞秒激光烧蚀实芯光纤后形成的悬臂梁结构，干涉仪的腔体为空芯光纤。实芯光纤和空芯光纤由纯石英制成，石英熔点高达1650℃，热膨胀系数仅为0.55×10^-6/℃，对于温度不敏感，故本发明可用于高温环境下的振动探测，且对于温度的交叉灵敏度小。

5、本发明中的悬臂梁与光纤轴向方向垂直，故可探测光纤轴向的振动，而不存在光纤径向方向的对准问题，易于实际应用中的封装与安装。

附图说明

图1为本发明所述基于空芯光纤的微纳光纤振动传感器的侧视图；

图2为本发明所述基于空芯光纤的微纳光纤振动传感器的端面俯视图；

图3为本发明所述基于空芯光纤的微纳光纤振动传感器的立体图。

其中，1——单模光纤，2——空芯光纤，3——实芯光纤，4——质量块，5——悬臂梁，6——单模光纤与空芯光纤的熔接面，7——空芯光纤与实芯光纤的熔接面，8——质量块的末端端面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例1

一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，包括：单模光纤1，空芯光纤2，实芯光纤3；其中，实芯光纤3由质量块4和悬臂梁5组成；

单模光纤1、空芯光纤2和实芯光纤3顺序熔接；所述实芯光纤3的质量块4为圆柱体，该圆柱体的直径小于空芯光纤2的内径；空芯光纤2和实芯光纤3通过悬臂梁5固定连接；

所述空芯光纤2的长度为30μm，外径与单模光纤1外径相同，为125μm，内径为93μm；所述实芯光纤3长度为20μm。

加工方法：

步骤一、单模光纤1和空芯光纤2熔接。其中，单模光纤1为普通商用单模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为8μm，空芯光纤2的内径为93μm，外径为125μm。熔接前去除单模光纤1和空芯光纤2的涂覆层，熔接采用商用熔接机的手动模式，设置放电电流和放电时间，使得单模光纤1与空芯光纤2熔接牢固且空芯光纤2不出现塌陷；

步骤二、切除多余的空芯光纤2。在显微镜的观测下，留30μm长的空芯光纤2，多余的部分用切割刀切除；

步骤三、空芯光纤2和实芯光纤3熔接。熔接前去除实芯光纤3的涂覆层，熔接采用商用熔接机的手动模式，设置放电电流和放电时间，使得空芯光纤2和实芯光纤3熔接牢固且空芯光纤2不出现塌陷。其中，实芯光纤3采用无芯光纤，即石英玻璃柱，实芯光纤3的直径为125μm；

步骤四、切除多余的实芯光纤3。在显微镜的观测下，留20μm长的实芯光纤2，多余的部分用切割刀切除；

步骤五、飞秒激光烧蚀实芯光纤3。将所述实芯光纤3从端面用飞秒激光烧蚀，在成像系统的观测下，通过计算机编程控制激光烧蚀的轨迹，形成质量块4和悬臂梁5，其中，质量块4为厚度20μm、直径60μm的圆柱体，悬臂梁5为厚度5μm、宽度为20μm、长度为32.5μm的长方体。需保证烧蚀不破坏空芯光纤2与单模光纤1的熔接面以及空芯光纤2与实芯光纤3的熔接面；

步骤六、端面粗糙化处理。所述质量块的末端端面8用飞秒激光烧蚀，使其粗糙化，以减小端面反射。

工作过程：

本发明的工作原理是：探测光由单模光纤1导入，在单模光纤与空芯光纤的熔接面6形成第一次菲涅尔反射，一部分光反射回单模光纤1，另一部分光透射。透射光传输至空芯光纤与实芯光纤熔接面7形成第二次菲尼尔反射，又有一部分光反射回单模光纤1。两处反射光形成双光束干涉，通过单模光纤1导出。当所述传感器受到平行于光纤轴向方向的振动时，由于质量块4的直径(60μm)小于空芯光纤2的内径(93μm)，故质量块4可带动悬臂梁5产生微弯，从而改变干涉仪的光程差，从而形成干涉型光纤振动传感器。

飞秒激光具有极段的脉宽(1fs＝10^-15s)，使得聚焦后的光束具有极高的瞬时功率，可以将被加工材料瞬间等离子化。而且飞秒激光聚焦后的光斑只有几个微米，加工精度很高，通过编写程序，并配合高精度三维平台使用，可以实现高精度三维微加工。加工本发明所述传感器时，将熔接好的单模光纤-空芯光纤-实芯光纤样品固定在光纤夹持器中，并将光纤夹持器固定在微动平台上，通过编写程序，控制微动平台的运动，实现三维加工。

本发明采用飞秒激光烧蚀实芯光纤形成悬臂梁和质量块，大大减小了实芯光纤的抗弯刚度，使得输入的振动信号强度一定时，悬臂梁产生更大的弯曲，导致布里-珀罗干涉仪的腔长发生更大的变化，从而提高本振动传感器的灵敏度。

本发明的振动传感部分为飞秒激光烧蚀实芯光纤后形成的悬臂梁结构，干涉仪的腔体为空芯光纤。实芯光纤和空芯光纤由纯石英制成，石英熔点高达1650℃，热膨胀系数仅为0.55×10^-6/℃，对于温度不敏感，故本发明可用于高温环境下的振动探测，且对于温度的交叉灵敏度小。

本发明中的悬臂梁与光纤轴向方向垂直，故可探测光纤轴向的振动，而不存在光纤径向方向的对准问题，易于实际应用中的封装与安装。

本实施例中所述的高温振动传感器体积仅为φ125μm×50μm，可在1200℃的高温环境下工作。且所述振动传感器干涉信号质量好，有利于解调出振动信号。由于形成干涉的两个光学反射面(单模光纤与空芯光纤的熔接面6和空芯光纤与实芯光纤的熔接面7)是熔接前光纤切割刀切割而成，且飞秒激光烧蚀时并不对这两个光学反射面产生影响，故可以保证这两个光学反射面的平整度，从而得到高质量的干涉信号，进而解调出振动信号。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。