一种探针式光纤传感器及其制备方法与流程

本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种探针式光纤传感器及其制备方法。

背景技术：

在过去的几十年里，光纤传感器在各个行业的高温条件中，如石油勘探、大功率电气系统、隧道火灾警报器等涉及民生、国防军事等领域拥有广阔的应用潜能。与传统电气传感器相比，光纤传感器具有体积小、无源、抗辐射、抗电磁干扰、抗恶劣环境影响，以及易复用、易组网、易远程和分布式传感、对待测参量干扰小等优点引起了越来越多的关注。

各种光纤传感器已经被开发，包括布拉格光纤、长周期光纤光栅和各种光纤干涉仪如马赫-曾德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗(f-p)干涉仪。其中，基于布拉格光纤光栅的传感器被广泛使用，但标准光栅在800℃以上的温度下被擦除，且要求严格的周期性，限制了它们的应用。基于长周期光纤光栅传感器对弯曲或变形等外界环境存在很大的交叉串扰，且光栅结构尺寸较大(通常几厘米)。各种干涉结构方案，包括光纤锥、特殊光纤的熔接和纤芯失配结构已用来构建马赫-曾德尔干涉仪。然而，马赫-曾德尔干涉仪工作在传输模式，且结构不紧凑，不适合在狭小的空间和遥感工作。迈克尔逊干涉仪是反射探针，但它们的尺寸仍然不够小。此外，光纤锥、熔接和纤芯失配的结构通常具有很低的机械强度。与马赫-曾德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪相比，f-p干涉仪更加简单、紧凑，且非常适用于在狭窄的空间和远程传感。

基于各种技术的f-p干涉仪传感器也不断被推出，包括基于膜结构、基于特种光纤、基于多步熔接过程、基于化学腐蚀、基于聚焦离子束和基于激光加工的f-p干涉仪。前面所述四种技术构建的传感器，需要手动操作将多个分离的元件组合熔接到一起，同时，腔的长度是难以或不可能精确控制的。此外，特种光纤成本高，膜结构或多步熔接涉及复杂的制造步骤，化学腐蚀是危险的。基于聚焦离子束技术的缺点是耗时、过程复杂，成本高。已报道的基于激光微加工的f-p干涉仪技术主要是利用激光的烧蚀效应，如直接在单模光纤切割一个凹槽形成f-p干涉仪或使用激光器在光纤中贯穿一个通道。然而，由于光纤的大部分已被切除，因此槽后的机械强度差。此外，逐层切割制造工艺耗时、复杂。通道f-p干涉仪的机械强度仍然不够好，因为包层部分被去除。并且，需要额外的电弧放电过程来平滑微通道侧壁以提高的干涉条纹对比度。

由此可见，现有技术存在制造工艺耗时、制造工艺复杂、稳定性强差、抗恶劣环境干扰能力差、在空气中条纹对比度很低的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种探针式光纤传感器及其制备方法，由此解决现有技术存在制造工艺耗时、制造工艺复杂、稳定性强差、抗恶劣环境干扰能力差、在空气中条纹对比度很低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种探针式光纤传感器的制备方法，包括：

(1)在光纤一端加工一个端面，该端面作为探针式光纤传感器的一个反射镜面；然后将光纤置于三维移动平台上，使光纤的轴向垂直于激光入射方向；

(2)使激光聚焦于光纤纤芯中距离光纤端面一定距离的纤芯位置馈入激光能量，0＜一定距离＜光纤总长度，使该处激光能量大于纤芯材料损伤阈值，形成与纤芯折射率不同的调制点，构成探针式光纤传感器的另二个反射镜面。

进一步的，激光为二氧化碳激光、紫外激光、飞秒激光或者阿秒激光。

进一步的，激光为飞秒激光，激光能量为1μj/pulse-4μj/pulse。

进一步的，馈入激光能量改变后，得到各种不同干涉条纹对比度的探针式光纤传感器。

进一步的，光纤为单模光纤或者蓝宝石光纤。优选的，光纤为蓝宝石光纤。

按照本发明的另一方面，提供了一种探针式光纤传感器，所述探针式光纤传感器由上述探针式光纤传感器的制备方法制备得到。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明通过控制激光能量和焦点位置，只在设定的部分纤芯区域引起折射率的变化，而不损伤光纤，保证了光纤的完整性，提高了探针式光纤传感器抗外界恶劣环境干扰的能力和鲁棒性；

(2)本发明加工周期极短，极大地提高了器件的制作效率；制备方法适用范围广，可在各种光纤上制作基于探针式光纤传感器；

(3)本发明制成的器件结构简单、紧凑，性能稳定，灵活性高；激光加工技术重复性好，精度高，成本低，可控性好；

(4)通过改变激光加工参数，可以得到不同对比度的干涉条纹；从而满足各种不同的实际需求；

(5)现有技术在空气中条纹对比度很低，在基于强度解调的折射率传感方面具有优势；但是在需要基于波长解调的传感方面(如温度)，则明显受到限制。因此，本发明在现有技术的基础上，选用激光为飞秒激光，激光能量为1μj/pulse-4μj/pulse，得到的探针式光纤传感器结构在高温测量方面，表现出了极好的线性，在空气中条纹对比度较高。同时，在可能需要特定范围条纹对比度的应用场合，本发明提供一种比较简便、可行的方案，即通过改变可控的激光能量，获得不同的干涉条纹。

(6)本发明光纤为单模光纤时，可承受高温1100℃，本发明光纤为蓝宝石光纤时，可承受高温1700℃，由此可见，蓝宝石光纤的耐高温性能更好，本发明光纤优选为蓝宝石光纤。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种探针式光纤传感器的制备方法示意图；

图2是本发明实施例提供的一种探针式光纤传感器的结构图；

图3是本发明实施例提供的调制点在不同调制深度下探针式光纤传感器的光谱图；

图4是本发明实施例提供的低条纹对比度的探针式光纤传感器光谱图；

图5是本发明实施例提供的高条纹对比度的探针式光纤传感器光谱图；

图6是本发明实施例提供的高条纹对比度的探针式光纤传感器用于高温测量的情况；

图7是本发明实施例提供的高条纹对比度的探针式光纤传感器的干涉波长在高温测量中，升温和降温过程中的线性拟合；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

21为光纤；22为反射镜面一；23为反射镜面二；24为反射镜面三；31为三维移动平台；32为激光；33为激光器；34为显微物镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种探针式光纤传感器的制备方法，包括：

(1)在光纤21一端加工一个端面，该端面作为探针式光纤传感器的一个反射镜面；然后将光纤置于三维移动平台31上，使光纤21的轴向垂直于激光入射方向；

(2)使激光32聚焦于光纤纤芯中距离光纤端面一定距离的纤芯位置馈入激光能量，0＜一定距离＜光纤总长度，使该处激光能量大于纤芯材料损伤阈值，形成与纤芯折射率不同的调制点，构成探针式光纤传感器的另二个反射镜面。

激光32为二氧化碳激光、紫外激光、飞秒激光或者阿秒激光。激光32由激光器33发射出来经过显微物镜34聚焦得到。

本发明实施例优选的激光为飞秒激光，激光能量为1μj/pulse-4μj/pulse。馈入激光能量改变后，得到各种不同干涉条纹对比度的探针式光纤传感器。光纤为单模光纤或者蓝宝石光纤。

如图2所示，光纤21内引入一个折射率调制点，构成了f-p探针的三个反射面；其中两个反射镜面23、24通过激光调制光纤折射率而成；另一个反射镜面22为光纤端面。

对于本发明得到的探针式光纤传感器，通过计算不同折射率调制深度的调制点，可以得到不同条纹对比度的干涉条纹，计算结果如图3所示。

使用不同的加工条件，分别制作低条纹对比度(如图4所示)和高条纹对比度(如图5所示)的本发明的探针式光纤传感器。本发明的探针式光纤传感器优选的激光为飞秒激光，激光能量为1μj/pulse-4μj/pulse。现有技术在空气中条纹对比度很低，在基于强度解调的折射率传感方面具有优势；但是在需要基于波长解调的传感方面(如温度)，则明显受到限制。因此，本发明在现有技术的基础上，选用激光为飞秒激光，激光能量为1μj/pulse-4μj/pulse，得到的探针式光纤传感器结构在高温测量方面，表现出了极好的线性，在空气中条纹对比度较高。同时，在可能需要特定范围条纹对比度的应用场合，本发明提供一种比较简便、可行的方案，即通过改变可控的激光能量，获得不同的干涉条纹。

图6是60μm腔长的高条纹对比度的探针式光纤传感器在高温测量中光谱的情况，从图中可知，随着温度增加，干涉条纹波长明显地向长波长方向移动。图7为升温和降温过程中的线性拟合，实验表明，在100-500℃时，本发明的探针式光纤传感器的灵敏度为13.9pm/℃，在500-1000℃时，本发明的探针式光纤传感器的灵敏度为18.6pm/℃。

将激光聚焦到光纤纤芯处，使激光聚焦处光纤纤芯折射率发生改变。折射率改变区域作为探针式光纤传感器的反射镜面一、二；与之轴向相距一定距离的端面作为探针式光纤传感器的反射镜面三；三个反射镜面构成了一种探针式光纤传感器的三个反射镜面；同时由于激光加工条件的不同，反射镜面一、二的反射率以及损耗因子不同，因此，反射镜面一、二、三组成的f-p干涉仪可以得到各种对比度的干涉条纹，以满足不同的实际需求。当探针式光纤传感器的光程差或者反射镜面的反射率改变时，会引起干涉条纹的变化，从而实现物理量的测量。进行温度测量时，温度改变f-p探针的光程差，从而引起干涉波长的移动，从而测量出温度。

实施例1

一种探针式光纤传感器的制备方法，包括：

(1)在光纤21一端加工一个端面，该端面作为探针式光纤传感器的一个反射镜面；然后将光纤置于三维移动平台31上，使光纤21的轴向垂直于激光入射方向；

(2)使激光32聚焦于光纤纤芯中距离光纤端面一定距离的纤芯位置馈入激光能量，0＜一定距离＜光纤总长度，使该处激光能量大于纤芯材料损伤阈值，形成与纤芯折射率不同的调制点，构成探针式光纤传感器的另二个反射镜面。激光为飞秒激光，激光能量为1μj/pulse。馈入激光能量改变后，得到各种不同干涉条纹对比度的探针式光纤传感器。光纤为单模光纤。

实施例2

一种探针式光纤传感器的制备方法，包括：

(1)在光纤21一端加工一个端面，该端面作为探针式光纤传感器的一个反射镜面；然后将光纤置于三维移动平台31上，使光纤21的轴向垂直于激光入射方向；

(2)使激光32聚焦于光纤纤芯中距离光纤端面一定距离的纤芯位置馈入激光能量，0＜一定距离＜光纤总长度，使该处激光能量大于纤芯材料损伤阈值，形成与纤芯折射率不同的调制点，构成探针式光纤传感器的另二个反射镜面。激光为飞秒激光，激光能量为2μj/pulse。馈入激光能量改变后，得到各种不同干涉条纹对比度的探针式光纤传感器。光纤为单模光纤。

实施例3

一种探针式光纤传感器的制备方法，包括：

(1)在光纤21一端加工一个端面，该端面作为探针式光纤传感器的一个反射镜面；然后将光纤置于三维移动平台31上，使光纤21的轴向垂直于激光入射方向；

(2)使激光32聚焦于光纤纤芯中距离光纤端面一定距离的纤芯位置馈入激光能量，0＜一定距离＜光纤总长度，使该处激光能量大于纤芯材料损伤阈值，形成与纤芯折射率不同的调制点，构成探针式光纤传感器的另二个反射镜面。激光为飞秒激光，激光能量为3μj/pulse。馈入激光能量改变后，得到各种不同干涉条纹对比度的探针式光纤传感器。光纤为单模光纤。

实施例4

一种探针式光纤传感器的制备方法，包括：

(1)在光纤21一端加工一个端面，该端面作为探针式光纤传感器的一个反射镜面；然后将光纤置于三维移动平台31上，使光纤21的轴向垂直于激光入射方向；

(2)使激光32聚焦于光纤纤芯中距离光纤端面一定距离的纤芯位置馈入激光能量，0＜一定距离＜光纤总长度，使该处激光能量大于纤芯材料损伤阈值，形成与纤芯折射率不同的调制点，构成探针式光纤传感器的另二个反射镜面。激光为飞秒激光，激光能量为4μj/pulse。馈入激光能量改变后，得到各种不同干涉条纹对比度的探针式光纤传感器。光纤为单模光纤。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。