[发明专利]包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅高灵敏度折射率传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅高灵敏度折射率传感器及其制造方法，属于光纤器件领域。

背景技术

光纤器件是光纤通信和光纤传感的关键性器件，其发展程度的高低在很大程度上决定着光纤通信和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、重量轻体积小易于集成，因而在很多行业比如航天（飞机及航天器各部位的温度测量、压力测量等），石油开采（液面高度测量等），电力传输（高压输电网的电流测量等）等领域均有着广阔的应用前景。随着光纤通信和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。光纤光栅因其优越的性能己成为目前最具有代表性和最具有发展前途的光纤无源器件之一，新结构、新特性、多功能光纤光栅的研制已经成为必然趋势。

长周期光纤光栅 (LPFG) 具有插入损耗小、带宽宽、后向反射低、对外界环境变化的反应灵敏度高、制作简单、成本低廉等优点，获得了极大的应用。在传感领域，由于LPFG的周期长，同向传输的纤芯基模和包层模之间存在耦合，其谐振波长和峰值对外界环境的变化非常敏感。熔锥型光纤器件与普通单模光纤SMF（single mode fiber）相比，光纤熔锥的很大一部分光场能量以倏逝波的形式在芯外传播，光进入过渡区部分继续向前传输，过渡区的半径逐渐减小，随着半径的减小，在包层中传输的光逐渐增多，在纤芯中传输的光逐渐减少，在锥腰传输的光波呈指数形式衰减，形成对外部环境的变化极其敏感的渐逝波，可以制成高灵敏光纤传感器，之后光波重新进入过渡区和单模区传输，光也逐渐由包层返回纤芯。因此，光纤熔锥复合型器件的基础研究具有重要意义。本发明在光纤熔锥上刻写LPFG，将光纤熔锥和LPFG的优点结合在一起，通过测量其透射峰的谐振波长和峰值的变化进行传感。因此，可以实现比普通LPFG更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的传感测量，同时可以通过改进工艺以实现低损耗和高性能传感。

发明内容

本发明的目的在于提高普通LPFG折射率传感的灵敏度，提供一种包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅高灵敏度折射率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折射率传感。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种包括过渡区的光纤熔锥长周期光纤光栅高灵敏度折射率传感器，包括一根单模光纤、单模光纤经过氢氧火焰拉制成的光纤熔锥以及使用CO₂激光器刻写在光纤熔锥上的LPFG，其特征在于：所述光纤熔锥，它的很大一部分光场能量以倏逝波的形式在芯外传播，这部分芯外倏逝场与环境相互作用时，可以感知周围环境的折射率变化；刻写范围包括光纤熔锥过渡区的长周期光纤光栅（LPFG），由于LPFG的周期长，存在同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，其谐振波长和峰值对外界环境的变化非常敏感；在光纤熔锥上刻写LPFG，将光纤熔锥和LPFG的优点结合在一起，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（1）包层直径约为100~150μm，纤芯直径约为7~10μm；所述纤熔锥过渡区（2）和光纤熔锥的锥腰区域（3）总长为10~15mm，光纤熔锥的锥腰（3）直径30~80μm，所述长周期光纤光栅（4）长度为15~20mm。

用于制作上述所说的包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅折射率传感器，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，然后用氢氧火焰拉锥机对其进行拉锥，得到光纤熔锥过渡区（2）和光纤熔锥的锥腰区域（3）；然后把光纤熔锥过渡区（2）和光纤熔锥的锥腰区域（3）固定在CO₂激光器上，光纤熔锥过渡区（2）的两端分别通过跳线连接光源和光谱仪，然后通过显微镜聚焦于光纤熔锥的锥腰区域（3）的中心，用电脑绘制一个长度为15~20mm长周期光纤光栅（4），控制CO₂激光器刻写长周期光纤光栅（4），通过光谱仪的实时在线测量，得到一个光谱较好的长周期光纤光栅（4）。至此，一种包括过渡区的光纤熔锥长周期光栅折射率传感器制备完成。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：

（1）    光纤熔锥很大一部分光场能量以倏逝波的形式在纤外传播，倏逝场与环境相互作用可实现高灵敏度感知周围环境的折射率变化；