基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件及其制造方法与流程

本发明属于光纤器件制作领域，具体涉及一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件及其制造方法。

背景技术

近年来，光纤应力传感器被广泛应用于水坝、隧道、大跨度桥梁等重大建筑的安全健康检测中，同时，对此类重大建筑进行可靠的安全性检测具有很大的难度。作为对大型建筑安全性测量的重要参数，其高灵敏度测量一直是光纤器件制作领域的一个难点，主要因素在于：光纤应力传感器具有制作工艺较为复杂、尺寸较大、成本高、光纤灵敏度较低等问题。因此，基于马赫-曾德尔干涉仪以及基于光子晶体光纤的光纤应力传感器相对制作工艺简单、尺寸小、成本低、灵敏度高。

传统基于光纤布拉格光栅的应变传感器存在光纤灵敏度难以提高、温漂大等问题；基于马赫-曾德尔干涉仪的应变传感器一般需要用到光纤错位焊接以及环路检测系统，加工难以控制；基于光子晶体光纤的应变传感器成本较高。作为全光纤干涉型传感器，光纤本征型法布里-珀罗器件传感器是基于单根光纤双光束干涉来实现测量。当外界环境如温度、折射率、应力、应变和磁场等因素发生变化时，光束的相位发生变化。相比其他类型的光纤传感器件，光纤本征型法布里-珀罗器件具有分辨率高、易检测、复用能力强、抗干扰能力强等优点。随着飞秒激光技术的出现和发展，超短激光脉冲和高峰值强度的优势使其在微加工领域得到了广泛的应用。飞秒激光光束聚焦在光纤纤芯上进行微加工时，可以精准控制加工位置和区域，并且加工区域很小，可大大优化光纤本征型法布里-珀罗器件传感器的性能。同时，光纤熔锥作为一种重要基础光纤器件，其具有特殊的锥形波导结构和锥腰细直特性，当锥腰直径足够小时，应力传感灵敏度将显著提升。

技术实现要素：

本发明的目的在于提高光纤本征型法布里-珀罗器件的应力传感灵敏度，提供一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件及其制造方法。本发明结合了光纤熔锥的细直锥腰特性，在拉力作用下利用光纤法布里-珀罗腔的反射谱波峰易监测特性和谐振峰偏移易检测特性，进一步提高了光纤传感器件的传感灵敏度、可靠性及应用范围。

本发明是采用下述技术方案实现的：

一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件，包括单模光纤，通过加热熔融单模光纤拉制出光纤熔锥，光纤熔锥中部为锥腰，锥腰两侧通过对称的过渡区域连接单模光纤；通过飞秒激光在锥腰刻写两个折射率改变区域，形成光纤本征型法布里-珀罗拉力传感器的两个反射镜。

利用飞秒激光在锥腰的直径范围为50-125μm处刻写两个反射镜，两个反射镜间的距离范围为100-600μm，在该器件下的拉力传感特性与锥腰直径相关。

一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件的制造方法，用于制作上述的基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件，操作步骤如下：

1）光纤熔锥制备：在拉制前，截取适当长度的单模光纤，在单模光纤中间剥去2cm左右的涂覆层，并用无水乙醇擦拭干净；接着将单模光纤放置在光纤夹具中，使剥去涂覆层的光纤处于光纤夹具的中间，并在夹具两边放置各一段与预拉单模光纤平行的普通单模光纤以固定预拉单模光纤；最后通过程序控制拉伸速度、拉伸长度以及氢气流量，得到光纤熔锥；

2）飞秒激光刻写光纤法布里-珀罗腔：将剥去涂覆层的光纤固定在载玻片上，并将载玻片放置在三维微加工平台上；选取50倍率的聚焦物镜，通过ccd监控确定飞秒激光焦点所在位置，移动微加工平台将飞秒激光聚焦到光纤纤芯；采用自上而下的纵向加工方式，即光纤的移动方向平行于飞秒激光光束的传输方向；加工时，将飞秒激光聚焦于光纤纤芯，让微加工平台先沿着z轴方向向上移动，激光聚焦于纤芯的下方，接着沿着z轴方向向下移动并点击电子快门，使飞秒激光穿过纤芯，从而在纤芯上形成内部反射镜，接着沿x轴向锥腰另一端移动一定的距离刻写第二个反射镜；在单模光纤进行刻写时，为了使折射率改变区域能够更好的覆盖纤芯均匀稳定的分布并获得较高的干涉条纹对比度，采用20mw的刻写功率进行刻写，微加工平台上下移动的距离分别为20μm和14μm，平台上下移动的速度为1μm/s。

本发明与现有技术相比较，具有如下实质性特点和显著优点：

1、结合了光纤熔锥器件和光纤法布里-珀罗器件二者的优点，可实现高灵敏度、高分辨率和快响应速度的应力传感测量。

2、因光纤熔锥的细直锥腰结构，当光纤熔锥法布里-珀罗腔的锥腰直径小于60μm时，其应力灵敏度是单模光纤法布里-珀罗传感器的5倍。

附图说明

图1是本发明中基于基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件的结构示意图。

图2是本发明中腔长为200μm的单模光纤本征型法布里-珀罗腔随外界应力变化的反射谱情况。

图3是本发明中腔长为400μm的单模光纤本征型法布里-珀罗腔随外界应力变化的反射谱情况。

图4是本发明中腔长为200μm、400μm、600μm的单模光纤本征型法布里-珀罗器件反射谱随应力变化情况。

图5是本发明中锥腰直径为61μm，腔长为200μm的光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件随外界应力变化的反射谱情况。

图6是本发明中锥腰直径为61μm，腔长为400μm的光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件随外界应力变化的反射谱情况。

图7是本发明中锥腰直径为125μm、97μm、73μm、59μm、50μm，腔长为200μm的光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件进行归一化反射谱波长随外界应力变化的情况。

具体实施方法

本发明的优选实施例并结合附图说明如下：

如图1所示，一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件，包括单模光纤3，通过加热熔融单模光纤3拉制出光纤熔锥，光纤熔锥中部为锥腰1，锥腰1两侧通过对称的过渡区域2连接单模光纤3；通过飞秒激光在锥腰1刻写两个折射率改变区域，形成光纤本征型法布里-珀罗拉力传感器的两个反射镜4。

利用飞秒激光在锥腰1的直径范围为50-125μm处刻写两个反射镜4，两个反射镜4间的距离即腔长范围为100-600μm，在该器件下的拉力传感特性与锥腰1直径相关。

一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件的制造方法，用于制作上述的基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗拉力传感器件，操作步骤如下：

1）光纤熔锥制备：在拉制前，截取适当长度的单模光纤3，在单模光纤3中间剥去2cm左右的涂覆层，并用无水乙醇擦拭干净；接着将单模光纤3放置在光纤夹具中，使剥去涂覆层的光纤处于光纤夹具的中间，并在夹具两边放置各一段与预拉单模光纤3平行的普通单模光纤以固定预拉单模光纤3；最后通过程序控制拉伸速度、拉伸长度以及氢气流量，得到光纤熔锥；

2）飞秒激光刻写光纤法布里-珀罗腔：将剥去涂覆层的光纤固定在载玻片上，并将载玻片放置在三维微加工平台上；选取50倍率的聚焦物镜，通过ccd监控确定飞秒激光焦点所在位置，移动微加工平台将飞秒激光聚焦到光纤纤芯；采用自上而下的纵向加工方式，即光纤的移动方向平行于飞秒激光光束的传输方向；加工时，将飞秒激光聚焦于光纤纤芯，让微加工平台先沿着z轴方向向上移动，激光聚焦于纤芯的下方，接着沿着z轴方向向下移动并点击电子快门，使飞秒激光穿过纤芯，从而在纤芯上形成内部反射镜，接着沿x轴向锥腰另一端移动一定的距离刻写第二个反射镜；在单模光纤进行刻写时，为了使折射率改变区域能够更好的覆盖纤芯均匀稳定的分布并获得较高的干涉条纹对比度，采用20mw的刻写功率进行刻写，微加工平台上下移动的距离分别为20μm和14μm，平台上下移动的速度为1μm/s。

参见图2和图3，选择腔长分别为200μm和400μm的单模光纤本征型法布里-珀罗应力传感器进行测量，应力从0变化到1n，每隔0.1n采集一次数据，得到反射谱的变化情况。随着传感器件两端应力的增加，反射谱整体向长波长方向漂移。选取1551nm附近的谷值进行监测，波长随传感器两端应力的变化曲线如图4所示。反射谱波长变化和应力的变化量间具有良好的线性关系。通过计算得出，传感器的腔长为200μm、400μm和600μm时，应力灵敏度分别为：1.322nm/n、1.336nm/n与1.382nm/n。

参见图5和图6，监测1565nm和1574nm附近的波谷波长随应力变化的情况。当光纤的直径减小，在相同外界应力的情况下，光纤熔锥本征型法布里-珀罗应力传感器反射谱的漂移量比单模光纤本征型法布里-珀罗应力传感器要多。通过计算得出，当传感器的干涉波长为200μm和400μm时，其应力灵敏度分别为6.669nm/n和5.984nm/n。

选择了光纤熔锥锥腰直径为125μm、97μm、73μm、59μm和50μm，腔长为200μm的光纤熔锥本征型法布里-珀罗应力传感器进行传感实验，归一化反射谱波长随外界应力变化的情况如图7所示。相同干涉腔长的情况下，随着光纤熔锥本征型法布里-珀罗应力传感器的锥腰直径的减小，波长漂移与外界应力曲线的斜率逐渐增加，其增加量也随半径的减小而增大。通过两者的比较，光纤熔锥本征型法布里-珀罗应力传感器的应力灵敏度是单模光纤本征型法布里-珀罗应力传感器的4~5倍左右。