一种级联式空芯光纤干涉传感器及其制作工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种级联式空芯光纤干涉传感器及其制作工艺，涉及空芯光纤测量技术领域。本级联式空芯光纤干涉传感器包括依次连接的宽带光源(1)、第1光纤跳线(2)、第1单模光纤(3)、第1熔接点(4)、第1反谐振布拉格空芯光纤(5)、第2熔接点(6)、第2单模光纤(7)、第3熔接点(8)、第2反谐振布拉格空芯光纤(9)、第4熔接点(10)、第3单模光纤(11)、第2光纤跳线(12)和光谱仪(13)。与现有技术相比，

【技术实现步骤摘要】
一种级联式空芯光纤干涉传感器及其制作工艺


[0001]本专利技术涉及空芯光纤测量
，尤其涉及一种级联式空芯光纤干涉传感器及其制作工艺。

技术介绍

[0002]特种光纤在拓宽光纤传感应用范围方面具有卓越贡献。特别是近年来，随着反谐振效应的提出，空芯结构的特种光纤成为实现大范围、高精度和超灵巧光纤传感器的重要平台。在航空航天、高功率稳定性激光器、高精度数控机床等工程应用系统中，准确的温度测量显得尤为重要。与普通电传感器相比，光纤温度传感器无电磁干扰、耐腐蚀性强、易制造、低成本、响应快速且探测灵敏度高，适用性极广。光纤干涉温度传感器基于法布里
‑
珀罗干涉、迈克尔逊干涉、马赫
‑
泽德尔干涉和萨克纳克干涉等原理，利用光束干涉受到外界温度影响产生的光热效应光程差引起相位变化，通过获取特征光谱解调得到温度变化。
[0003]现有光纤干涉温度传感器可以大致分为本征式温度传感器和非本征式温度传感器。非本征式传感器一般通过切割光纤获得垂直光滑的端面，其次将特殊非光纤反射薄膜或悬臂梁与光纤端组合形成光纤传感探头。利用表面固定超薄聚合物薄膜的非本征式传感器可实现超宽频光纤声学传感。通过微纳加工技术同样可以实现非本征法布里
‑
珀罗腔实现甚低频声波检测。其次，已有成果表明非本征式温度传感器可用于高温环境下的压力传感，但是恶劣条件下，机械加工、薄膜和悬臂梁等结构会导致灵敏度降低甚至失效。针对本征式传感器，现有通过微纳加工、飞秒激光直写和3D打印形成倏逝场或者本征法布里
‑
珀罗腔，该类加工方式较复杂或结构不稳定。基于空芯光纤的本征式光纤传感器适应于高温环境测量，通过电弧熔接方式将空芯光纤与单模光纤级联可形成封闭的空气腔，在其两端形成低精细度反射面。据现有报道，基于该方式的高温传感缺乏对光纤干涉机理和方法的深入讨论和探究。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就在于提供一种级联式空芯光纤干涉传感器，即一种基于精细度控制的空芯光纤法布里
‑
珀罗干涉高温传感器。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：
[0006]一、传感器的结构
[0007]具体地说，传感器的结构包括依次连接的宽带光源、第1光纤跳线、第1单模光纤、第1熔接点、第1反谐振布拉格空芯光纤、第2熔接点、第2单模光纤、第3熔接点、第2反谐振布拉格空芯光纤、第4熔接点、第2单模光纤、第2光纤跳线和光谱仪。
[0008]二、传感器的制作工艺：
[0009]①
第1熔接点与第2熔接点通过光纤熔接机设定合理电弧熔接功率、放电时间与推进量，调整熔接点处反射面精细度，调制透射光谱，得到法布里
‑
珀罗干涉梳状谱；
[0010]②
第1反谐振布拉格空芯光纤长度决定法布里
‑
珀罗干涉梳状谱的自由光谱范围，
控制其长度在100
‑
200um范围内，保证梳状谱高消光比，使得法布里
‑
珀罗干涉可通过透射光谱解调实现温度校准功能；
[0011]③
控制第2反谐振布拉格空芯光纤长度在1.8
‑
2mm范围内，宽谱光进入后产生反谐振效应，可获得高消光比的谐振波长，保证大范围温度传感稳定性；
[0012]④
第3熔接点和第4熔接点距离远大于第1熔接点和第2熔接点距离，保证第3熔接点和第4熔接点在第2反谐振布拉格空芯光纤空气芯构成的法布里
‑
珀罗干涉由于光程差较大，衰减严重，避免其对透射光谱产生干扰；
[0013]⑤
第1反谐振布拉格空芯光纤和第2反谐振布拉格空芯光纤间由单模光纤级联，保证入射光经过传感器能够在光谱仪接收端获取可检测光信号，实现完整透射传感结构。
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和积极效果：
[0015]①
本专利技术提供的集成光纤法布里
‑
珀罗干涉结构和高精细度反谐振效应的光纤温度传感结构，由于不同精细度决定的两种机理形成的梳状光谱和谐振波长对温度的灵敏度不同，从而可实现大动态范围测量和温度校准作用。
[0016]②
本专利技术提供的反谐振空芯光纤，由于可在较短的光纤长度范围内形成在线法布里
‑
珀罗干涉和反谐振效应，从而可实现微型化尺寸的光纤温度传感器。
[0017]③
本专利技术提供的微尺寸大动态范围传感和温度校准作用光纤温度传感器，由于采用单一在线的结构测量，相比传统需要耦合器构成的光纤干涉仪和需要涂覆增敏的光纤微结构，所述光纤温度传感器具有结构简单、价格低廉和易于制作的优势。
[0018]④
本专利技术归纳一种基于精细度可调的两维度光纤干涉传感方法，该方法可能在空芯光纤微结构传感领域提供可选思路。
[0019]⑤
创新点：
[0020]A、提出基于精细度可调的干涉传感方法；
[0021]B、同时实现法布里
‑
珀罗干涉与反谐振效应温度传感应用；
[0022]C、傅里叶变换滤波解调透射叠加光谱中不同温度灵敏度；
[0023]D、可指导多种空芯光纤多参量干涉传感应用。
附图说明
[0024]图1是本专利技术的结构示意图；
[0025]1—宽带光源；
[0026]2—第1光纤跳线；
[0027]3—第1单模光纤；
[0028]4—第1熔接点；
[0029]5—第1反谐振布拉格空芯光纤；
[0030]6—第2熔接点；
[0031]7—第2单模光纤；
[0032]8—第3熔接点；
[0033]9—第2反谐振布拉格空芯光纤；
[0034]10—第4熔接点；
[0035]11—第3单模光纤；
[0036]12—第2光纤跳线；
[0037]13—光谱仪。
[0038]图2是本专利技术大范围高温传感以及温度校准功能示意图；
[0039](a)是本专利技术实施例1中对光谱仪中的部分叠加光谱进行快速傅里叶滤波得到谐振波长在不同高温条件下的大范围红移过程；
[0040](b)是本专利技术实施例1中对光谱仪中的部分叠加光谱进行快速傅里叶滤波得到低精细度法布里
‑
珀罗干涉梳状光谱在不同高温条件下的微弱红移过程；
[0041](c)是对谐振波长漂移过程的线性拟合；
[0042](d)是对法布里
‑
珀罗干涉梳状光谱的极小值点漂移的线性拟合；
[0043]图3是对部分叠加光谱滤波得到叠加灵敏度示意图
[0044](a)是本专利技术实施例1中对光谱仪中的部分叠加光谱进行快速傅里叶带通滤波得到自由光谱范围1内梳状光谱，并对梳状光谱极小值点在不同高温条件下的大范围红移过程进行线性拟合；
[0045](b)是对自由光谱范围2内同样操作得到对照测量结果。
[0046]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种级联式空芯光纤干涉传感器，其特征在于：包括依次连接的宽带光源(1)、第1光纤跳线(2)、第1单模光纤(3)、第1熔接点(4)、第1反谐振布拉格空芯光纤(5)、第2熔接点(6)、第2单模光纤(7)、第3熔接点(8)、第2反谐振布拉格空芯光纤(9)、第4熔接点(10)、第3单模光纤(11)、第2光纤跳线(12)和光谱仪(13)。2.根据权利要求1所述的级联式空芯光纤干涉传感器，其特征在于：所述的反谐振布拉格空芯光纤是一种自发研制的光子晶体光纤，包括3层：包层周期性分布亮环为高折射率参杂层，深灰色为低折射率包层，及中央白色空气芯；反谐振布拉格空芯光纤的结构：包括空气纤芯和折射率周期性分布布拉格反射包层；空气芯直径为32um，光束主要限制在空气纤芯中传输；包层外径为125um，其内层包括4层折射率阶跃调制分布层：低掺杂与外包层相对折射率均为1.444，高掺杂层相对折射率为1.06um，高参杂层厚度为1.06um，低折射率掺杂层厚度为3.07um，高折射率掺杂层数为4层，所述折射率均为1550nm波长下的相对折射率；反谐振布拉格空芯光纤通过下述工艺制作：
①
周期性分布布拉格反射包层预制棒通过化学气相沉积法制作；首先，选用内径25um，外径31um的纯石英管固定在气相沉积设备上；然后，掺锗硅和纯硅分别按照380um和1000um厚度被沉积到石英管内壁表面；重复上述步骤4次，即得内径13mm与外径50mm的光纤预制棒；
②
反谐振布拉格空芯光纤通过切割整形上述光纤预制棒并置于光纤拉丝塔中，在拉丝过程中利用负压气体泵浦控制反谐振布...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪文军，冉思向，杨春勇，赵忠科，田永胜，岑卓，
申请(专利权)人：中南民族大学，
类型：发明
国别省市：