低成本可重复生产的保偏光纤端面迈克尔逊干涉传感器的制作方法

1.本实用新型设计光纤传感技术领域，特别是涉及低成本可重复生产的光纤端面迈克尔逊干涉仪传感器。


背景技术：

2.光纤干涉传感器作为光纤传感器的典型代表，是当前实际应用最普遍、机理最成熟的一类光器件。其具备动态范围大、灵敏度高、稳定性好、抗电磁干扰、适用于极端环境、可实现长距离复用等优点，在电力交通、生物化学、航空航天、天文气象、微生物探测等领域拥有广阔的应用情景。
3.光纤干涉式传感器种类多样，包括法布里珀罗干涉（fpi）传感器，迈克尔逊干涉(mi)传感器，马赫曾德干涉（mzi）传感器，sagnac干涉传感器，制备方式包括：用毛细管准直两根光纤或在光纤端面一定距离外用套管固定反射膜片等方式制备法布里珀罗干涉（fpi）传感器，将光纤错位熔接制备马赫曾德干涉（mzi）传感器，熔融法制备sagnac干涉传感器等。上述制备光纤干涉式传感器的方法虽然成本低廉、成品率高，但存在以下问题：重复性差，切割熔接法制备随机性较大，批量生产时很难保证光纤结构尺寸一致，每次制备的光纤干涉仪干涉光程差很难保持一致，难以批量生产出性能参数几乎一致的传感器，导致不同传感器需要做繁琐的校准工作。另外，部分光纤的圆对称性被破坏的结构对于不同的偏振态输入光，具有不同的响应，其输出结果稳定性会因为结构的偏振敏感性大大降低。目前能精确控制尺寸制备出可批量生产的光纤干涉仪传感器只有飞秒激光加工、等离子束刻蚀等技术，而这类加工技术普遍成本高昂且制备周期长，限制了光纤干涉式传感器的实用性。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的是提供低成本可重复生产的保偏光纤端面迈克尔逊干涉传感器。
5.低成本可重复生产的保偏光纤端面迈克尔逊干涉传感器，其特征在于，包括相连的传导光纤和传感光纤两部分；所述的传导光纤和传感光纤为保偏光纤，包括包层和纤芯；所述传感光纤自由端由一部分45度倾斜端面与一部分垂直端面构成，所述传感光纤的纤芯端面也由倾斜部分与垂直部分构成，纤芯端面构成了一个分束镜；光纤包层外壁提供一个反射面；所述倾斜端面与传感光纤轴成45
°
角，将纤芯的光垂直射出或将垂直于纤芯射入的光耦合进入纤芯；由纤芯垂直端面部分反射的光会反向传输，由纤芯倾斜端面部分反射的光经过包层外壁反射后再次进入纤芯，与垂直端面反射的光干涉，构成端面迈克尔逊干涉仪。
6.所述的保偏光纤为非圆对称结构，具有双折射效应，存在快轴方向和慢轴方向，可以维持传输光的偏振态，能确保偏振相关器件具有稳定的输出。.
7.所述倾斜端面与保偏光纤慢轴平行。
8.所述的迈克尔逊干涉仪的干涉光程差由光纤的拉丝工艺决定，不受传感器制备工
艺的影响。
9.所述的传感器采用波长解调，可以用于测量温度和横向压力。
10.所述的保偏光纤纤芯侧边可以凿成空心孔，由纤芯倾斜端面反射的光将穿过空心孔，传感器用于测量孔中介质的折射率。
11.本实用新型的有益效果：
12.本实用新型提供的低成本可重复生产的保偏光纤端面迈克尔逊干涉传感器可实现批量生产，且每次生产的光纤迈克尔逊传感器参数可以保持高度一致；考虑了结构的偏振敏感性，消除了环境扰动对传输光偏振态的影响，极大提高了结构的稳定性；成本低，制备工艺简单，成品率高，生产周期短；全光纤结构更紧凑。
附图说明
13.图1为本发明一实施方式的保偏光纤端面迈克尔逊干涉传感器示意图，(a)保偏光纤端面示意图，(b)剖面光路示意图。
14.其中，1-保偏光纤，2-光纤纤芯，3-光纤包层，4-慢轴，5-快轴，5-保偏光纤折射率调制区域，6-倾斜端面部分，7-垂直端面部分，8-包层侧壁反射面。
具体实施方式
15.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
16.需要说明的是，当元件被称与另一个元件“连接”或元件被称为“连接至”另一个元件时，它可以直接与另一个元件连接或者也可以存在居中的元件。
17.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
18.请参阅图1，本实施例中使用保偏光纤1作为所述传感光纤。保偏光纤1一端经过抛磨后形成了倾斜端面6和垂直端面7，倾斜端面6倾斜角度为45
°
，能把一部分光纤纤芯2的光旋转90
°
垂直射到光纤包层3中，光入射到光纤的包层侧壁反射面8上垂直反射回到倾斜端面，然后再回到纤芯2并向回传输；垂直端面7将一部分光纤纤芯2的光直接反射向回传输，由此形成了光纤端面的迈克尔逊干涉仪。
19.具体地，由光纤垂直端面7反射的光直接返回到纤芯2向回传输，由倾斜端面6反射的光会垂直入射到包层侧壁反射面8上，并再次反射回到倾斜端面6，并重新耦合进纤芯2与发生干涉，两束光的干涉相位差可以表示为：
[0020][0021]
其中为两束光的干涉光程差，直接由光纤的自身尺寸决定，不受加工工艺
的影响；为干涉光的初始相位差，不同偏振方向的光具有不同的初始相位差。
[0022]
进一步分析，假设使用非保偏光纤制备该传感结构，经过倾斜端面6反射后的s光与p光在发生干涉时具有不同的相位差，在非保偏光纤中（例如普通标准单模光纤）中传输时，s光与p光会相互耦合，其耦合情况具有随机性，受光纤自身缺陷以及光纤受到的应力、弯曲、扭转、振动等外界环境扰动的影响，由此其干涉光谱也会不稳定。
[0023]
保偏光纤1具有较高的双折射效应，具体解释为，光纤对偏振方向沿着快轴5的光和偏振方向沿着慢轴4的光具有不同折射率，光在保偏光纤1中传输时沿快轴5和慢轴4的偏振光不会相互耦合。
[0024]
基于菲涅尔反射定律，不同偏振方向的光在倾斜端面6反射后的相位跃边是不同的，所以制备时倾斜端面6与保偏光纤1的慢轴4平行，即光在倾斜端面6反射时的p光分量（偏振方向平行于反射面）的偏振方向与慢轴4平行，s光分量（偏振方向垂直于反射面）的偏振方向与快轴5平行，这样发生干涉时，p光与s光的干涉相互独立，不会相互耦合，其偏振态的传输不会受环境扰动的影响，由此该结构具有较稳定输出响应。
[0025]
由于干涉光的光程差只受光纤自身尺寸与折射率的影响，因此可以保证每次制备的传感器具有相同的参数，具备可重复生产的优势。
[0026]
该传感器可以用来测量温度或横向应力，具体地，温度或者横向应力的变化会改变光纤的横向尺寸以及光纤包层3的折射率，由此可以通过干涉谱的漂移判断温度或应力的变化。
[0027]
本实施例中提出的低成本可重复生产的保偏光纤端面迈克尔逊干涉传感器可使用下述制备方法制作：
[0028]
1）保偏光纤1的切平后，放入显微镜观察，确定快轴4和慢轴5的方向。
[0029]
）保偏光纤1夹紧后放上抛磨机，使切平端面与砂纸夹角约为45
°
，且慢轴5与抛磨平面平行，启动抛磨机。
[0030]
）通过显微镜直接观察保偏光纤1的倾斜端面6以及观察反射光谱中否有干涉谱判断倾斜端面6倾斜角是否为45
°
以及倾斜端面6与垂直端面7的分界线是否刚好经过纤芯2，如果不是，调整保偏光纤1与砂纸夹角重复上述步骤，直到出现干涉谱。
[0031]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0032]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。