[发明专利]基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件及其制造方法，属于光纤器件领域。

背景技术

光纤器件被广泛应用于光纤传感和光通信网络等领域，其中光纤传感器件是目前可实用化的小尺寸传感头之一，它具有抗电磁干扰、抗辐射、灵敏度高、重量轻、绝缘防爆、耐腐蚀等优异的性能，特别的是光纤尺寸微小、且具有良好的光传输特性，将成为制备性能优良的网络化微型传感器的重要选择，因此，倍受国内外的青睐和重视。光纤传感器的发展趋势为微型化和高性能，因此具有小尺寸、高灵敏度、快响应速度和微量检测等优势的新型光纤传感器件逐渐成为研究的热点。近年来，随着各种微加工技术不断成熟，基于光纤端面、光纤表面和光纤内部而进行的微结构制备得到了大力发展，极大地推动各种新型光纤微传感器在传感方面的应用。光纤熔锥型器件以其低损耗、低成本、高性能、高可靠性占据光纤器件中的很大份额。与普通单模光纤相比，光纤熔锥的很大一部分光场能量以渐逝波的形式在芯外传播，这部分芯外渐逝场与环境相互作用时，通过感知周围环境的折射率变化，可以用来做高灵敏度的微型传感器。单靠光纤熔锥用于传感难以实现精确的定量检测，基于此研究者们往往通过在其表面涂覆响应环境变化的敏感材料，但是涂覆材料通常存在一定的不完全可逆性或者需要较长的响应时间，所以涂覆型光纤熔锥传感器在稳定性和可靠性上具有一定的劣势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有光纤熔锥传感技术存在的不足，提供一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件及其制造方法。以实现更高灵敏度、快响应速度和微量检测，这将在微型化和高灵敏度的传感领域有广泛应用前景。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件，包括普通光纤部分、光纤熔锥过渡区部分、光纤熔锥锥腰部分和法布里-珀罗腔部分，其特征在于把普通光纤熔融拉锥，利用飞秒激光在其锥腰区域刻写两个反射面形成法布里-珀罗谐振腔，结合了光纤熔锥的强渐逝场致高灵敏度特性和法布里-珀罗腔用于传感的谐振峰偏移易检测特性，进一步提高光纤传感器件的传感灵敏度和可靠性。所述光纤熔锥直径为10~50μm，法布里-珀罗谐振腔的两个腔面之间的距离为50~6000μm。

一种基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件的制造方法，用于制作上述基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件，其操作步骤如下：

1）光纤熔锥制备：以氢氧火焰作为热源进行熔融拉锥：把一段长2米左右的单模光纤，并在此单模光纤中间剥去长1厘米左右的涂覆层，并用酒精擦拭干净裸纤部分的待用单模光纤放置在间距为3cm的光纤夹具上，尾纤的一端连接到宽带光源，另一端连接至光功率计，用以监控熔融光纤在被拉伸过程中的损耗变化情况，通过拉伸速度、拉伸长度，以及热源的氢气流量等参数的优化设定，所制作光纤熔锥的拉伸长度为10000μm ~ 20000μm，相应的锥腰直径为10μm ~ 50μm，损耗在0.5dB以下。

2）飞秒激光刻写光纤法布里-珀罗腔：将制备的光纤熔锥置于三维移动平台上，使光纤熔锥轴向垂直于飞秒脉冲激光传输方向。飞秒脉冲激光通过显微镜的物镜聚焦于光纤熔锥锥腰的中心，三维移动平台沿飞秒脉冲激光传输方向移动，使飞秒脉冲激光的聚焦点沿光纤径向扫描光纤熔锥的锥腰，使飞秒激光刻写区域覆盖光纤熔锥锥腰区的纤芯，即单个反射面制备完毕；每制作一个反射面时，三维移动平台的移动距离为锥腰直径的二分之一，移动速度为0.8 μm/s。控制台沿x轴向锥腰另一端移动所需腔长的距离，完成第二个反射面的制备，则基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件制备完成。

本发明的工作原理

与普通单模光纤相比，光纤熔锥的很大一部分光场能量以渐逝波的形式在芯外传播，这部分芯外渐逝场与环境相互作用，通过感知周围环境的传感参量变化，可以用来做高灵敏度的微型传感器。同时，法布里-珀罗腔用于传感时，具有分辨率高，动态范围大，易于检测分析等优势。

本发明是基于光纤熔锥的优良特性，利用飞秒激光在光纤熔锥的锥腰刻写法布里-珀罗微谐振腔，通过监测其反射光谱来感知环境变化，结合了光纤熔锥的强渐逝场致高灵敏度特性和法布里-珀罗腔用于传感的谐振峰偏移易检测特性，进一步提高光纤传感器件的传感灵敏度和响应速度。其次，飞秒激光作用区域小、热效应小，具有高度的空间选择性。可对器件进行精细加工，并且飞秒激光诱导的折射率变化比较稳定，这保证了器件的可靠性，可实现小尺寸、快速响应、高灵敏度和高可靠性的微量检测，在工业、农业、国防等各领域的物理以及生化传感方面均有广阔的应用前景。