[发明专利]一种干涉型反射探针式光纤微传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种干涉型反射探针式光纤微传感器及其制作方法，属于微型传感器技术领域。

背景技术

光纤传感器具有很广阔的应用背景，干涉型光纤传感器是一种基于相位调制技术的高精度传感器件，能灵敏感应被测物理量的变化，且有极高的检测分辨率，相应的相位改变可用于检测折射率、温度、应力等物理量的微小变化，有很强的实际应用价值。

现有的干涉型光纤传感器主要基于法布里帕罗（Fabry Perot-Interferometer,FPI）原理，分为一体成型的FPI光纤微传感器和组装型的FPI光纤传感器两种主要的类别，分别如图1和图2所示。一体成型光纤传感器的干涉结构由不同的三维微纳加工工艺在裸光纤中加工获得，干涉表面的加工质量无法达到高质量干涉的基本要求（镜面级反射和平行度），造成干涉条纹的干涉强度较低和品质因数较差等缺陷，不利于条纹波长定位，也不利于光谱信号的调制解调，限制了光纤传感器分辨率的提高；组装型光纤传感器的干涉结构由光纤端面抛磨以及表面镀膜等方式制作高质量反射表面，通过人工组装实现干涉表面的平行对中性，可以实现品质因数极高的干涉光谱，但其结构稳定性较差，复杂的组装结构需要较复杂的装配工艺，且传感器结构尺寸较大，无法实现μm级别的检测尺度。为了解决小范围高分辨率的传感测量，需要进一步提高一体成型光纤传感器干涉表面的加工质量，现有的三维立体加工工艺很难满足要求。

发明内容

本发明的目的是为解决干涉型光纤传感器品质因数差，不易调制解调，组装结构稳定性差，尺寸较大的不足，提供了一种干涉型反射探针式光纤微传感器及其制作方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种干涉型反射探针式光纤微传感器，其结构包括一体加工而成的光纤接入段、光纤锥汇聚段、光纤半球反射段和模式激发器；

光纤接入段为圆柱形的未加工裸光纤，光纤半球反射段为半球形结构，光纤锥汇聚段为光纤接入段向光纤半球反射段的锥形过渡；光纤半球反射段的球直径为光纤接入段直径的0.16～0.32倍，光纤锥汇聚段的长度为光纤接入段直径的2.5～4.8倍；

在光纤锥汇聚段上与光纤接入段的距离为0.2～0.3倍锥长的位置处向内径向开孔，作为模式激发器，模式激发器的开孔深度至光纤纤芯的一半。

光纤接入段、光纤锥汇聚段和光纤半球反射段采用的材料为单模光纤、多模光纤、保偏光纤或光子晶体光纤，光纤接入段的直径为选用的光纤的直径。

本发明的一种干涉型反射探针式光纤微传感器的制作方法，其具体步骤为：

步骤1）采用熔融法将一段光纤拉制成两段前段为锥段、前端端部为半球头反射面的传感器，使每个传感器的锥段长度为裸光纤直径的2.5～4.8倍，半球头反射面的球面直径为裸光纤直径的0.16～0.32倍；

步骤2）在光纤锥汇聚段上距离光纤接入段0.2～0.3倍锥长位置处采用飞秒激光脉冲技术在锥表面沿径向向内加工微孔，作为模式激发器，微孔的直径为0.05～0.10倍裸光纤直径，微孔的加工深度达到光纤纤芯的一半；微孔的加工过程采用水辅助方法去除光纤碎屑；

在步骤2）中加工的模式激发器还可以采用二氧化碳激光技术加工或者采用熔融连接技术加工。

工作过程：

光纤接入段通过光纤耦合器或光纤环形器接入光纤解调仪，一定波段（大于传感器自由光谱范围）的光从光纤接入段入射到光纤后，光纤纤芯中的光经过模式激发器后部分激发到光纤包层中短暂传播，部分进入包层传播的光经光纤锥汇聚段的汇聚和光纤半球反射段的反射作用后与纤芯中残留的反射光发生谐振耦合，由光纤解调仪获得干涉光谱。

包层模式发生全反射的条件主要与包层空气界面的有效折射率有关，在忽略温度的变化，包层折射率在一般情况下是不变的，外界空气的折射率改变可明显引起反射光谱峰值位置的变化，因而该传感器可以用来进行空气折射率、浓度和湿度检测；单模光纤的纤芯掺杂浓度较高，同样的温度变化情况下，热光耦合系数较高的光纤芯层折射率变化更大，因而温度的改变也能引起反射光谱峰值位置的变化，因而该传感器可以用来进行温度检测；光纤在应力状态不同的情况下，其长度会发生改变，光纤长度的改变能改变反射光谱衰减峰值位置，因而该传感器可以用来进行应力检测。干涉光谱的谐振衰减峰可以敏感地检测到温度、外界折射率及应力状态的变化，当外界环境中的物理状态发生微小变化时，干涉光谱谐振衰减峰的位置会发生相应漂移，通过光纤解调仪检测出谐振衰减峰波长位置变化得到外界物理参数的变化，从而达到传感器的效果。