[发明专利]基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器及其制造方法，属于光纤器件领域。

背景技术

自上世纪70年代以来，光纤传感领域发展迅速。光纤及光纤器件是光纤传感的传输媒介，其发展程度的高低在很大程度上决定着光纤传感领域的发展。光纤传感器抗干扰能力强、绝缘性好、安全度高、灵敏度高、重量轻和体积小易于集成，因而在很多行业比如建筑安全监测、电力系统、石油化工、生物生医、航空航天、环境保护监测和国防安全等领域均有着广阔和重要应用前景。随着光纤传感领域的快速发展，对光纤器件的要求也越来越高，具有微尺寸、高灵敏度、快速响应等优势的新型光纤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。F-P腔以及基于F-P腔的各种传感器已经被广泛的应用。本发明使用光纤熔接机把普通单模光纤制成锥形光纤，然后用HF酸溶液对其进行腐蚀变细制成微尺寸锥形光纤探针，然后使用飞秒激光器在其内部刻写F-P微腔，利用高阶模的高敏感度，可以实现比普通F-P腔更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的传感，再加以改进工艺以实现低损耗和高性能传感，可以应用在温度测量领域，这将在大型系统故障监控和健康监测等领域有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有单模光纤F-P腔传感存在的不足，提供一种基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器及其制造方法，该传感器可实现更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的温度传感。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

1.      一种基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，包括一根单模光纤、单模光纤前端的微尺寸锥形光纤探针以及在微尺寸锥形光纤探针前端内部的第一光纤内部反射镜、第二光纤内部反射镜，其特征在于：所述第一光纤内部反射镜和第二光纤内部反射镜平行排列而形成本征型F-P微腔；所述微尺寸锥形光纤探针是由普通单模光纤经过光纤熔接机拉锥并用HF酸腐蚀变细制得的，所述第一光纤内部反射镜和第二光纤内部反射镜分别是通过飞秒脉冲激光沿微尺寸锥形光纤探针前端径向改变光纤的折射率形成   的反射面；利用飞秒脉冲激光加工制备的基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，通过微尺寸锥形光纤探针激发出的高阶模和基模的干涉形成的反射光谱的高敏感性，可实现高灵敏度、高分辨率和大范围的温度测量，并改进工艺以实现低损耗和高性能的传感特性。特征在于所述单模光纤包层直径约为100-150μm，纤芯直径约为7~10μm；所述微尺寸锥形光纤探针长为10~20mm，前端直径为微纳米量级；所述第一反射镜和第二反射镜之间的距离为50~500μm。

一种基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器的制造方法，用于制作上述所说的基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器，其制造工艺操作步骤如下：

首先，取一根长度为1m                                                0.2m的单模光纤（1），剥掉该单模光纤（1）中间部分长度为10cm1cm的涂覆层，然后用光纤熔接机对其进行拉锥，得到光纤熔锥；然后用HF酸溶液进行腐蚀，得到直径为微纳米量级的微尺寸锥形光纤探针（2）。飞秒脉冲激光在该微尺寸锥形光纤探针（2）内部刻写F-P微腔：将制备的微尺寸锥形光纤探针（2）置于三维移动平台（5）上，微尺寸锥形光纤探针（2）的前端轴向垂直于飞秒脉冲激光光束（6）的传输方向；通过显微镜观察然后调整单模光纤的位置，使飞秒脉冲激光（7）通过显微镜的物镜（8）聚焦于微尺寸锥形光纤探针（2）前端的中心，沿微尺寸锥形光纤探针（2）的径向移动三维平台，移动距离要保证飞秒脉冲激光能完全刻写微尺寸锥形光纤探针（2）前端的纤芯，移动速度为0.8 μm/s~1μm/s，至此，一个反射面制备完成。再控制三维平台沿x轴方向向单模光纤的另一端移动所需腔长的距离50~500μm，然后重复刚才的操作，完成第二个反射面的制备。至此，则基于微尺寸锥形光纤探针的本征型F-P微腔高灵敏度温度传感器制备完成。

本发明的工作原理