一种光纤干涉仪及其制作方法与流程

本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉及一种光纤干涉仪及其制作方法。

背景技术：

传统的传感器主要包括电感传感器、电阻传感器、电容传感器、热电传感器、磁电传感器等，其传感测量的实现离不开电。由于电在我们所处的环境中无处不在，因此这种传感器不可避免的会受到电磁干扰，由于电本身的特性，使用时还需特别注意其安全性，而光纤传感的出现，则很好地解决了这一问题。由于光纤的主要制作材料为二氧化硅，因此光纤传感器重量很轻，柔性强，可集成化，具有耐腐蚀，可在高温高压环境中使用。

但是，现有的光纤传感器在对流体的折射率进行测量时，测量精度和灵敏度较低，且用于测量流体折射率的光纤传感器内部结构稳定性差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光纤干涉仪及其制作方法。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种光纤干涉仪，包括：

毛细管、输入光纤和输出光纤；

其中，所述输入光纤的一端沿所述毛细管轴线方向插入进所述毛细管的一个端口内；

所述输出光纤的一端沿所述毛细管轴线方向插入进所述毛细管的另一个端口内；

在所述毛细管内部，所述输入光纤的轴线与所述输出光纤的轴线在同一直线上，且，所述直线与所述毛细管的轴线相平行；所述输入光纤的一端和所述输出光纤的一端之间存在间隔，所述间隔与所述输入光纤、所述输出光纤以及所述毛细管的管壁形成了一个空腔。

可选的，在所述毛细管内部的所述输入光纤和所述输出光纤均为剥去涂覆层的光纤；在所述毛细管外部的所述输入光纤和所述输出光纤均为带有涂覆层的光纤。

可选的，在所述毛细管内部，所述输入光纤和所述输出光纤分别通过胶水与所述毛细管的内壁固定。

可选的，所述空腔内填充有被测液体或被测气体。

可选的，所述输入光纤和所述输出光纤均为单模光纤。

可选的，在所述毛细管的管壁上开设有通孔，所述通孔使所述空腔直接与外界接触。

可选的，所述输入光纤和所述输出光纤均为多模光纤。

可选的，在所述毛细管的内壁上镀有高反膜；

在所述毛细管的外表面上镀有增反膜，和/或，在所述毛细管的外表面上利用激光写制光栅，以增加所述毛细管的外表面对光的反射率。

本发明还提供了一种光纤干涉仪的制作方法，包括：

选取毛细管；

从第一光纤的一端剥去涂覆层，并将剥去涂覆层的第一光纤插入所述毛细管的一个端口内并固定，将所述第一光纤上未剥去涂覆层的另一端暴露在所述毛细管的端口外；

从第二光纤的一端剥去涂覆层，并将剥去涂覆层的第二光纤插入所述毛细管的另一个端口内，并使所述毛细管内部的第一光纤的轴线与第二光纤的轴线在同一直线上，并沿该直线调节所述第二光纤与第一光纤之间的间隔长度，以得到符合要求的空腔长度；

将所述毛细管的一个端面与所述第一光纤固定，将所述毛细管的另一个端面与所述第二光纤固定，将插入所述毛细管的光纤部分与所述毛细管的管壁进行固定。

可选的，所述方法还包括：

在所述毛细管的管壁上开设通孔，以使所述空腔直接与外界接触；

所述第一光纤和所述第二光纤均为多模光纤；

在所述毛细管的内壁上镀一层高反膜，在所述毛细管的外表面上镀一层增反膜，和/或，在所述毛细管的外表面上利用激光写制光栅，以增加所述毛细管的外表面对光的反射率。

本发明采用以上技术方案，所述光纤干涉仪包括：毛细管、输入光纤和输出光纤；其中，所述输入光纤的一端沿所述毛细管轴线方向插入进所述毛细管的一个端口内；所述输出光纤的一端沿所述毛细管轴线方向插入进所述毛细管的另一个端口内；在所述毛细管内部，所述输入光纤的轴线与所述输出光纤的轴线在同一直线上，且，所述直线与所述毛细管的轴线相平行；所述输入光纤的一端和所述输出光纤的一端之间存在间隔，所述间隔与所述输入光纤、所述输出光纤以及所述毛细管的管壁形成了一个空腔。本发明通过增添毛细管，利用将输入光纤和输出光纤均插入在毛细管内，增强了光纤干涉仪结构对空腔内折射率的敏感性，提高了对流体折射率测量的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明光纤干涉仪实施例一提供的结构示意图；

图2是本发明光纤干涉仪实施例二提供的结构示意图；

图3是光纤干涉仪的内部光场模拟效果图；

图4是光强与腔内折射率的变化关系；

图5是本发明光纤干涉仪的制作方法实施例一提供的流程示意图。

图中：1、毛细管；2、输入光纤；3、输出光纤；4、空腔；5、多模光纤；6、剥去涂覆层的光纤；7、带有涂覆层的光纤；8、胶水；9、通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

图1是本发明光纤干涉仪实施例一提供的结构示意图。

如图1所示，本实施例所述的光纤干涉仪，包括：

毛细管1、输入光纤2和输出光纤3；

其中，所述输入光纤2的一端沿所述毛细管1轴线方向插入进所述毛细管1的一个端口内；

所述输出光纤3的一端沿所述毛细管1轴线方向插入进所述毛细管1的另一个端口内；

在所述毛细管1内部，所述输入光纤2的轴线与所述输出光纤3的轴线在同一直线上，且，所述直线与所述毛细管1的轴线相平行；所述输入光纤2的一端和所述输出光纤3的一端之间存在间隔，所述间隔与所述输入光纤2、所述输出光纤3以及所述毛细管1的管壁形成了一个空腔4。

进一步的，在所述毛细管1内部的所述输入光纤2和所述输出光纤3均为剥去涂覆层的光纤6；在所述毛细管1外部的所述输入光纤2和所述输出光纤3均为带有涂覆层的光纤7。

进一步的，在所述毛细管1内部，所述输入光纤2和所述输出光纤3分别通过胶水8与所述毛细管1的内壁固定。

通过将所述输入光纤2和所述输出光纤3分别通过胶水8与所述毛细管1的内壁固定，避免了在使用过程中所述输入光纤2和所述输出光纤3与所述毛细管1发生轻微的震动改变两光纤的相对位置，从而产生较大错位，该结构有利于光纤干涉仪内部结构稳定性差。

进一步的，为了保证所述输入光纤2和所述输出光纤3与所述毛细管1的位置稳固性，可在输入光纤2和输出光纤3插入毛细管1之前在距离光纤端面几毫米的位置处涂覆一层胶水，涂覆的长度应与光纤插入毛细管1的长度一致。使用的胶水应在短时间内不会发生凝固，将光纤插入毛细管1后再在毛细管1端面进一步使用胶水加固，待胶水充分凝固后即可。

进一步的，所述空腔4内填充有被测液体或被测气体。

进一步的，所述输入光纤2和所述输出光纤3均为单模光纤。

本实施例通过增添毛细管1，利用将输入光纤2和输出光纤3均插入在毛细管1内，增强了光纤干涉仪结构对空腔4内折射率的敏感性，提高了对流体折射率测量的灵敏度。

图2是本发明光纤干涉仪实施例二提供的结构示意图。

如图2所示，本实施例所述的光纤干涉仪，包括：

毛细管1、输入光纤2和输出光纤3；

其中，所述输入光纤2的一端沿所述毛细管1轴线方向插入进所述毛细管1的一个端口内；

所述输出光纤3的一端沿所述毛细管1轴线方向插入进所述毛细管1的另一个端口内；

在所述毛细管1内部，所述输入光纤2的轴线与所述输出光纤3的轴线在同一直线上，且，所述直线与所述毛细管1的轴线相平行；所述输入光纤2的一端和所述输出光纤3的一端之间存在间隔，所述间隔与所述输入光纤2、所述输出光纤3以及所述毛细管1的管壁形成了一个空腔4。

进一步的，在所述毛细管1的管壁上开设有通孔9，所述通孔9使所述空腔4直接与外界接触。

进一步的，所述输入光纤2和所述输出光纤3均为多模光纤5。

进一步的，在所述毛细管1的内壁上镀有高反膜；

在所述毛细管1的外表面上镀有增反膜，和/或，在所述毛细管1的外表面上利用激光写制光栅，以增加所述毛细管1的外表面对光的反射率。

本实施例所述的光纤干涉仪通过在毛细管1的管壁上开设有通孔9的方式，形成开腔，实现空腔4直接与外界接触；由于光线在进入毛细管1后会激发多种模式以及为提高光纤能够接收到的光能量，因此将实施例一结构中的单模光纤替换成多模光纤5。

在空腔4中，由于两根多模光纤5紧贴于毛细管1壁的一侧，根据反射定律，从多模光纤5中出射的光线经侧壁反射后无法进入另一根单模光纤纤芯中(侧壁指的是垂直于纸面方向上的毛细管1壁)，能够从毛细管1壁反射并被多模光纤5接收的光只有经上壁和下壁反射的小范围的光线。因此，小孔的位置可以安排在毛细管1的侧壁。光线在毛细管壁的反射率较低，仅考虑在毛细管1壁反射一次的光线。在具体制作的过程中，为了能及时将流体充满空腔4同时及时排除空腔4中残余的流体，该小孔应在保证损耗不太大以及毛细管1的强度的前提下做得尽可能大。

除了小孔的位置和大小外，毛细管1的长度选取也需要重点考虑。若毛细管1过长，流体充满空腔4后容易在腔内残留，从而影响下一次的测量。因此，毛细管1的长度应在满足制作条件和空腔4长度要求的情况下，应尽可能短。

针对本实施例所提出的光纤干涉仪，本申请还使用了rsoft模拟软件对结构内部的光场分布进行了模拟，并对比分析了毛细管1对光场产生的影响，图3为该光纤干涉仪的内部光场模拟效果图。

在图3中(a)中左右两幅图分别展示的是该结构在xoz平面上的截面图和在yoz平面上的截面图。(b)中左右两幅图展示的是未添加毛细管1时，结构在xoz平面和在yoz平面的光能量分布图。(c)中左右两幅图展示的是添加了毛细管1后，结构在xoz平面和在yoz平面的光能量分布图。模拟时选用毛细管1的内径为150微米，毛细管1壁的折射率为1.5，光纤的包层直径为125微米，纤芯直径为50微米。包层和纤芯的折射率在波长为1.55微米时分别为1.455和1.465，两根光纤端面间距为1.5毫米。

对比图(b)与图(c)可以发现，在添加了毛细管1后，接收到的光能量明显增加。这是由于毛细管1对腔内原本会产生损耗的模式起到了束缚作用，即经毛细管1壁反射后重新耦合回了光纤中。

为验证该结构进行折射率测量的可行性，在研究中还模拟了接收到的光强的相对强度随腔内折射率的变化关系，如图4所示。模拟选用的折射率范围为1.0-1.4。

图4中(a)，(b)分别展示了添加毛细管1与不添加毛细管1时相对光强与腔内折射率的变化关系。

从图4中可以看到，在没有毛细管1的情况下，相对光强与折射率没有明显的线性关系，但在增添了毛细管1后，二者的线性关系明显加强，且结构的损耗显著降低，灵敏度显著提高。可见，本实施例所述的结构能够对折射率进行测量。

进一步的，在实际使用中，可以根据毛细管1壁的折射率在所述毛细管1的内壁上镀有高反膜；在所述毛细管1的外表面上镀有增反膜，和/或，在所述毛细管1的外表面上利用激光写制光栅，以增加所述毛细管1的外表面对光的反射率，减小损耗。

图5是本发明光纤干涉仪的制作方法实施例一提供的流程示意图。

如图5所示，本实施例所述的制作方法包括：

s51：选取毛细管；

s52：从第一光纤的一端剥去涂覆层，并将剥去涂覆层的第一光纤插入所述毛细管的一个端口内并固定，将所述第一光纤上未剥去涂覆层的另一端暴露在所述毛细管的端口外；

s53：从第二光纤的一端剥去涂覆层，并将剥去涂覆层的第二光纤插入所述毛细管的另一个端口内，并使所述毛细管内部的第一光纤的轴线与第二光纤的轴线在同一直线上，并沿该直线调节所述第二光纤与第一光纤之间的间隔长度，以得到符合要求的空腔长度；

s54：将所述毛细管的一个端面与所述第一光纤固定，将所述毛细管的另一个端面与所述第二光纤固定，将插入所述毛细管的光纤部分与所述毛细管的管壁进行固定。

需要说明的是，为选取合适的空腔长度，需要将两根光纤(第一光纤和第二光纤)分别与光谱仪和光源连接，并将剥去涂覆层的第一光纤插入所述毛细管中，固定并记下所述第一光纤插入所述毛细管的一个端口内的端面的位置，然后缓慢移动所述第二光纤，同时观察光谱仪中的光谱图，当出现的光谱图满足要求时，记下所述第二光纤在所述毛细光内的端面位置，此时测量在所述毛细管内的第一光纤端面和第二光纤端面的距离即可得到合适空腔长度。

进一步的，所述制作方法还包括：

在所述毛细管的管壁上开设通孔，以使所述空腔直接与外界接触；

所述第一光纤和所述第二光纤均为多模光纤；

在所述毛细管的内壁上镀一层高反膜，在所述毛细管的外表面上镀一层增反膜，和/或，在所述毛细管的外表面上利用激光写制光栅，以增加所述毛细管的外表面对光的反射率。

采用本实施例所述的方法制作出的光纤干涉仪，在对流体的折射率进行测量时，测量精度和灵敏度高，且内部结构稳定性好。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。