基于MZI和FPI级联的多参数光纤干涉传感器及其制备方法与流程

本发明涉及光纤器件领域，特别涉及一种基于MZI和FPI级联的多参数光纤干涉传感器及其制备方法。

背景技术：

近年来，光纤传感器由于具有质量轻、体积小、抗腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点，已经广泛应用于物理、化学和生物传感领域。典型的光纤传感器如光纤布拉格光栅(FBG)，长周期光纤光栅(LPFG)，法布里珀罗干涉仪(FPI)，全光纤马赫泽德干涉仪(MZI)等在测量折射率，温度，应变等参数方面得到广泛应用。

全光纤马赫泽德干涉仪(MZI)由于其制作简单、灵敏度高和体积小等优点广泛应用于溶液浓度、温度和折射率等参数的测量。主要是基于LPFG级联、锥腰扩大、错位熔接、花生结构、锥形结构、光子晶体光纤、多芯光纤、细芯光纤等结构实现MZI的制作。

本文设计并制作了一种基于MZI和FPI级联的光纤传感器，利用MZI干涉波谷与FPI干涉波谷的灵敏度差异，结合灵敏度系数矩阵实现对温度、应变金额折射率的同时测量，该传感器具有可实现温度、应变和折射率同时测量和条纹对比度高等优势，在多参数传感领域具有良好的应用价值。

因此，需要一种能够实现温度、应变和折射率同时测量，并且条纹对比度高的基于MZI和FPI级联的多参数光纤干涉传感器及其制备方法。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于MZI和FPI级联的多参数光纤干涉传感器，包括细芯光纤和单模光纤，所述单模光纤包括第一单模光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤包括FPI腔结构；

所述细芯光纤的一端面与第二单模光纤错位熔接，形成MZI，所述细芯光纤的另一端面与第一单模光纤错位熔接，形成多参数光纤干涉传感结构。

优选地，细芯光纤与第一单模光纤的熔接处为第一错位熔接点，细芯光纤与第二单模光纤的熔接位置为第二错位熔接点。

当入射光进入FPI腔时，入射光的能量被分为三部分：第一部分光通过FPI腔的两个反射面返回到第一单模光纤的纤芯中，然后在反射光谱中就会形成干涉条纹；第二部分光在HI1060光纤中继续传播；第三部分光通过第一个错位熔接点被耦合到HI1060的包层中传输。在第二个错位熔接点HI1060光纤中的纤芯光和包层光就会发生干涉构成MZI。

优选地，所述细芯光纤采用HI1060光纤，长度设置为5.5mm，纤芯直径为5.3um；所述单模光纤采用SMF单模光纤，纤芯直径为8.2um，所述错位熔接选择的错位熔接量为3um。

优选地，所述FPI腔的腔长为10μm，所述FPI腔包括两个反射面，两个反射面之间的距离为10um，其中两个反射面分别为飞秒激光刻写的第一道线和最后一道线。

其中，所述FPI腔结构传感原理为：

当外界温度发生变化时，光纤热光效应和热膨胀效应会导致波谷对应的波长发生变化，波长漂移量与温度变化量的关系可表示为：

Δλm＝(ξ+α)·ΔT·λm

当外界应变发生变化时，光纤的弹光效益和应变效应会导致波谷对应的波长发生变化，波长漂移量与应变变化量的关系可表示为：

Δλm＝(k+ρ)·Δε·λm

其中，所述MZI传感原理为：

当为外界温度发生变化时，光纤热光效应和热膨胀效应会导致HI1060的折射率和长度发生改变：

当外界应变发生变化时，光纤弹光效益和应变效应会导致HI1060的折射率和长度发生改变：

当外部折射率发生改变时，干涉波谷的波长变化量可表示为：

本发明还提供一种基于MZI和FPI级联的多参数光纤干涉传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：利用飞秒激光器的飞秒激光在第一单模光纤中逐线刻写，得到反射式干涉传感器(FPI)；

步骤二：采用光纤熔接机将细芯光纤和第二单模光纤错位熔接，得到透射式干涉传感器(MZI)；

步骤三：将上述制得的FBG和MZI两种结构进行级联，得到基于FBG和MZI级联的多参数光纤干涉传感器。

优选地，在步骤一中，所述FPI腔的腔长为10μm，FPI腔是通过飞秒激光逐线刻写制作而成，由于每道线的刻写间距仅为0.1um，且激光器能量较高，因此整个FPI腔的折射率将会发生改变。

优选地，在步骤一中，所述FPI腔包括两个反射面，两个反射面分别为刻写的第一道线和最后一道线，即两个反射面之间的距离为10um。

优选地，在步骤二中，制备所述MZI时，光纤熔接机的参数设置为：纤芯对准方式为手动对芯，预熔时间为180ms，预熔功率为标准+20，放电时间为3000ms。其中，手动设置纤芯的错位间距约3μm。

优选地，在步骤二中，所述细芯光纤长度为5.5mm，纤芯直径为5.3um，所述第二单模光纤的纤芯直径为8.2um。

其中，本发明中所述细芯光纤长度设置为5.5mm，从而保证MZI干涉光谱在1530～1600nm范围内仅出现一个干涉波谷，且波谷的对应波长为整个光谱范围的中心位置，这样不仅利于寻找波谷值，还保证了波谷可以有最大限度的红移和蓝移范围(向长波方向移动为红移，短波方向为蓝移)，如果对细芯光纤的长度选择不当会限制波谷的漂移范围。

优选地，所述单模光纤采用SMF单模光纤。

优选地，在步骤三中，所述级联的方式为通过光纤熔接机将两个结构连接在一起，工艺简单，可重复性强。

本发明将利用飞秒激光逐线刻写制作新型FPI和单模光纤与细芯光纤一端错位熔接制作的MZI通过级联的方式制作得到能够实现三参数同时测量的光纤干涉传感器，该传感器可实现温度、应变和折射率多参数同时测量，其中FPI是利用飞秒激光逐线扫描的方式在单模光纤中制作的腔长为10m，条纹对比度分别为12.9dB和16.9dB的反射式干涉传感器；MZI是通过将细芯光纤和SMF错位熔接的方式制作的腔长为5.5mm，对比度为21.8dB的透射式干涉传感器。该传感器具有可实现温度、应变和折射率同时测量和条纹对比度高等优势，在多参数传感领域具有良好的应用价值。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出了本发明的基于FBG和MZI级联的多参数光纤干涉传感器的结构示意图。

图2(a)示出了本发明采用飞秒激光制作FPI的加工系统的结构示意图。

图2(b)示出了本发明采用飞秒激光制作的FPI的显微图。

图2(c)示出了本发明采用飞秒激光制作的FPI的反射光谱图。

图3(a)示出了本发明制作的MZI的纤芯错位熔接显微图；

图3(b)示出了本发明制作的MZI的纤芯对准熔接显微图。

图3(c)示出了本发明制作的MZI的透射光谱图。

图4示出了本发明设计的温度、应变和折射率传感实验系统的结构示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

参见图1，本发明提供一种基于MZI和FPI级联的多参数光纤干涉传感器，包括细芯光纤和单模光纤，所述单模光纤包括第一单模光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤包括FPI腔结构；所述细芯光纤的一端面与第二单模光纤错位熔接，形成MZI，所述细芯光纤的另一端面与第一单模光纤错位熔接，形成多参数光纤干涉传感结构，如图1所示。

其中，细芯光纤与第一单模光纤的熔接处为第一错位熔接点，细芯光纤与第二单模光纤的熔接位置为第二错位熔接点。当入射光进入FPI腔时，入射光的能量被分为三部分：第一部分光通过FPI腔的两个反射面返回到第一单模光纤的纤芯中，然后在反射光谱中就会形成干涉条纹；第二部分光在HI1060光纤中继续传播；第三部分光通过第一个错位熔接点被耦合到HI1060的包层中传输。在第二个错位熔接点HI1060光纤中的纤芯光和包层光就会发生干涉构成MZI，如图1所示。

具体地，所述FPI腔的腔长为10μm，FPI腔是通过飞秒激光逐线刻写制作而成，由于每道线的刻写间距仅为0.1um，且激光器能量较高，因此整个FPI腔的折射率将会发生改变。所述FPI腔包括两个反射面，两个反射面之间的距离为10um，其中两个反射面分别为飞秒激光刻写的第一道线和最后一道线。

具体地，所述细芯光纤采用HI1060光纤，纤芯直径为5.3um，长度设置为5.5mm；所述单模光纤采用SMF单模光纤，纤芯直径为8.2um，所述错位熔接选择的错位熔接量为3um。

本发明还提供一种基于MZI和FPI级联的多参数光纤干涉传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：利用飞秒激光器的飞秒激光在第一单模光纤中逐线刻写，得到反射式干涉传感器(FPI)；

具体地，所述FPI腔的腔长为10μm，所述FPI腔包括两个反射面，两个反射面分别为刻写的第一道线和最后一道线，即两个反射面之间的距离为10μm。

参见图2(a)，为本发明采用飞秒激光制备FPI的结工系统的结构示意图。该系统主要由飞秒激光器、三维位移平台、聚焦物镜、宽带光源、光谱分析仪和控制电脑等组成。其中，飞秒激光器是中心波长800nm、脉冲宽度35fs、重复频率1kHz的钛蓝宝石飞秒激光器；光谱分析仪为日本YOKOGAWA公司的AQ6375光谱分析仪(Optical spectrum analyzer，OSA)，工作波长范围1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.05nm。激光器出射的红外激光首先经过半波片、偏振片、衰减片和高反镜，然后通过45倍的显微物镜将光斑聚焦在由光纤夹具固定的光纤中。在加工过程中利用光谱分析仪实时观F-P干涉传感器的反射光谱，通过软件控制三维运动平台的移动和Shutter的闭合从而完成光纤F-P传感器的制作。

将去涂覆层的单模光纤固定在光纤夹具上，其中单模光纤的纤芯直径为8.2，包层直径为125。为了保证激光光斑能够聚焦到纤芯中，采用放大倍数为45倍、数值孔径为0.75的Zeiss显微物镜，并在光纤夹具上方和下方分别安装一个LED照明设备，保证可以通过聚焦物镜上方的CCD观测光斑在光纤中的聚焦位置和光纤的加工形貌。实验中设置出射激光的单脉冲能量为2uJ，飞秒激光的加工速度为80um/s，刻线长度为25，腔长为10，图2(b)是FPI的显微图。图2(c)是光纤FPI在常温下的反射光谱图。由图可知：在1530nm～1600nm光谱范围内，F-P干涉传感器出现两个波谷，其特征波长分别为1546.27nm和1581.49nm，干涉条纹对比度大于12dB。

步骤二：采用光纤熔接机将细芯光纤和第二单模光纤错位熔接，得到透射式干涉传感器(MZI)；

具体地，制备所述MZI时，光纤熔接机的参数设置为：纤芯对准方式为手动对芯，预熔时间为180ms，预熔功率为标准+20，放电时间为3000ms。手动设置纤芯的错位间距约3μm，所述细芯光纤采用HI1060光纤，长度为5.5mm，纤芯直径为5.3um，所述第二单模光纤的纤芯直径为8.2um。

图3(a)和图3(b)分别为左右两个纤芯错位熔接的显微图。图3(c)是制作的MZI的透射光谱图，由图可知：在1520～1610nm范围内，MZI的透射光谱中出现两个干涉波谷，特征波长为1568.32nm的干涉波谷的对比度可达到21.8dB。

本发明中，针对不同光纤的选择不同的错位熔接量是制作高质量MZI的关键参数，所述错位熔接是让单模光纤中纤芯的光更多的进入到细芯光纤的包层中，使包层模与纤芯模充分发生耦合，进而使得马赫曾德的干涉条纹对比度更高，干涉功率更强。本发明的错位熔接量为两种光纤的纤芯直径的差值，错位熔接量为3um，这样不仅保证了有更多的光进入到细芯光纤的包层中，同时保证了光最大程度的进入到细芯光纤的纤芯中，使MZI的干涉现象更加明显，条纹对比度更高。

步骤三：将上述制得的FBG和MZI两种结构进行级联，得到基于FBG和MZI级联的多参数光纤干涉传感器。所述级联的方式为通过光纤熔接机将两个结构连接在一起，工艺简单，可重复性强。

参见图4，以下设计传感器的温度应变和折折率传感实验系统，所述传感实验系统包括宽带光源100、光谱分析仪400、多参数光纤干涉传感器300以及加热平台500或折射率测量装置600。

温度传感特性

所述传感实验系统包括宽带光源100、光谱分析仪400、环行器200、双参数光纤传感器300以及加热平台500，所述宽带光源100通过环行器200和双参数光纤传感器300连接，所述双参数光纤传感器30与光谱仪400的第二输入端420连接，所述环行器200还与所述光谱仪400的第一输入端410连接，所述双参数光纤传感器300放置在加热平台500上，如图4所示。

分别对MZI和FPI波谷对应的特征波长的变化规律进行探究。实验中设计加热平台500的温度变化范围为20℃～100℃，温度变化间隔为10℃，利用光谱分析仪分别记录传感器在不同温度下的透射光谱和反射光谱。实验中，在20℃～100℃范围内，DipA、Dip B和Dip C的特征波长分别向长波方向移动了0.99nm,1.21nm,和6.68nm。DipA、Dip B和Dip C的温度灵敏度分别为12.37pm/℃,12.81pm/℃和82.03pm/℃。

应变传感特性

参见图4，所述传感实验系统包括宽带光源100、光谱分析仪400、环行器200、双参数光纤传感器300以及加热平台500，所述宽带光源100通过环行器200和双参数光纤传感器300连接，所述双参数光纤传感器30与光谱仪400的第二输入端420连接，所述环行器200还与所述光谱仪400的第一输入端410连接，所述双参数光纤传感器300，固定在等强度梁上。

使用JDSU公司生产的宽带光源100和横河公司生产的AQ6375光谱分析仪400，测量传感器干涉波谷的应变响应曲线。将传感器300固定在等强度梁上，通过微分头调节传感器300上的应变量范围为0με～500με，用光谱分析仪400记录干涉波谷的特征波长变化。为了防止温度对传感器产生影响，整个实验在温度为20℃的超净间完成。实验中在0με～500με范围内，DipA、Dip B和Dip C的特征波长分别向长波方向移动了0.8nm,0.83nm,和-0.39nm。Dip A、Dip B和Dip C波长灵敏度分别为1.50pm/με、1.53pm/με和-0.79pm/με。

折射率传感特性

所述传感实验系统包括宽带光源100、光谱分析仪400、环行器200、双参数光纤传感器300以及加热平台500，所述宽带光源100通过环行器200和双参数光纤传感器300连接，所述双参数光纤传感器300与光谱仪400的第二输入端420连接，所述环行器200还与所述光谱仪400的第一输入端410连接，所述折射率测量装置600包括不同浓度的酒精溶液，如图4所示。

利用蒸馏水和无水乙醇分别配置折射率分比为1.34165,1.34330,1.34495,1.34660,1.34825,1.34990,1.35155,1.35320,1.35485,and 1.35650的酒精溶液，使用滴管将不同浓度的酒精溶液分别滴到传感器上，同时利用光谱分析仪实时观测其透射光谱的变化。实验中随着折射率的增加，Dip C的波长向短波方向移动，Dip C的折射率灵敏度为-219.07nm/RIU。

因此，可以通过DipA、Dip B和Dip C在不同温度、应变和折射率下的漂移变化量，结合灵敏度系数矩阵实现对温度、应变和折射率的同时测量。灵敏度系数矩阵可表示为：

因此温度和酒精溶液浓度的变化量可表示为：

由上式可知，通过分别测量DipA、Dip B和Dip C的波长漂移量就可以实现对外界温度、应变和折射率的同时测量。将DipA、Dip B和Dip C的温度、应变和折射率响应灵敏度代入上式可得：

综上表明：本发明基于MZI和FPI级联的多参数光纤干涉传感器的温度、应变和折射率灵敏度分别可达82.03pm/℃、1.53pm/με和-219.07nm/RIU。

本发明将利用飞秒激光逐线刻写制作新型FPI和单模光纤与细芯光纤一端错位熔接制作的MZI通过级联的方式制作得到可实现温度、应变和折射率多参数同时测量的多参数光纤干涉传感器，其中FPI是利用飞秒激光逐线扫描的方式在单模光纤中制作的腔长为10m，条纹对比度分别为12.9dB和16.9dB的反射式干涉传感器；MZI是通过将细芯光纤和SMF错位熔接的方式制作的腔长为5.5mm，对比度为21.8dB的透射式干涉传感器。该传感器具有可实现温度、应变和折射率同时测量和条纹对比度高等优势，在多参数传感领域具有良好的应用价值。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。