尖端封装有光学微球的高灵敏度光纤测温探针制造技术

本实用新型专利技术提出了一种尖端封装有光学微球的高灵敏度光纤测温探针，用以解决微腔传感器实用化的问题；包括光纤、光纤接头和探头，光纤两端分别设有光纤接头和探头，探头包括光束扩展装置、聚焦透镜和光学微球，光束扩展装置封装在光纤上，聚焦透镜与光束扩展装置相连接，聚焦透镜的前侧封装有光学微球，光学微球位于聚焦透镜的焦点处，光学微球前部设有散射点。本实用新型专利技术通过瑞丽散射、球腔聚焦、梯度折射率透镜组合的方式提高远场模式耦合效率；从同一端口收集传感信号，把信号送回光纤中再传输到信号处理端，简便易用。本实用新型专利技术利用微球腔二次聚焦的方式耦合提高了散射耦合的效率，将一般散射耦合效率1%提高至16.8%。

High sensitivity optical fiber temperature probe with optical microsphere at the tip

The utility model presents a highly sensitive optical fiber thermometry probe with optical microspheres, which is used to solve the practical problem of the micro cavity sensor, including optical fiber, fiber optic joint and probe. The optical fiber joints and probes are respectively provided at both ends of the fiber, and the probe includes the beam expansion and installation, the focusing lens and the optical microsphere, and the beam. The expansion device is encapsulated in the optical fiber. The focusing lens is connected with the beam expansion device. The front of the focusing lens is encapsulated with optical microspheres. The optical microspheres are located at the focus of the focusing lens, and the front of the optical microsphere has a scattering point. The utility model improves the coupling efficiency of far field mode through the combination of Rayleigh scattering, spherical cavity focusing and gradient refractive index lens. It is easy to use to collect sensing signals from the same port and send the signals back to the optical fiber and then transfer to the signal processing end. The coupling efficiency of the scattering coupling is improved by coupling the two focusing of the microsphere cavity, and the general scattering coupling efficiency 1% is increased to 16.8%.

【技术实现步骤摘要】
尖端封装有光学微球的高灵敏度光纤测温探针
本技术涉及光纤微纳温度传感器的
，尤其涉及一种尖端封装有光学微球的高灵敏度光纤测温探针，是一种高效率远场散射耦合的光学回音壁模式光纤传感探针。
技术介绍
因为回音壁模式微腔品质因子高、体积小，所以可用于制作低阈值激光器、窄带滤波器、宽带光频梳发生器、高灵敏度传感器等多种光学器件。在这些器件中，通常需要通过一个或多个耦合装置将光耦合进微腔，并且从微腔中提取信息。现有的一类耦合装置包括：拉锥光纤、棱镜、光波导、打磨的斜角光纤头、光子晶体光纤等，一般通过模式近场交叠的方式耦合。现有通过模式近场交叠方式的耦合装置的有效耦合距离短，约等于光波长量级；耦合强度是耦合距离的指数衰减函数，容易受到微小振动的影响导致信号不稳定，因此在系统中常用复杂的反馈控制或封装方法来保持信号稳定。另外一类耦合方式是通过合理设计微腔的边界形状或引入缺陷/散射点，使得微腔模式可以被特定角度的自由空间聚焦光束激发。这类远场耦合方式中，腔和耦合装置不需要接触，并且能量传递的相位匹配条件被自动满足。但是，边界形状特殊的腔从设计和制作上都有一定的技术难度，并且对于不同材料的微腔需要不同的微腔形状。而采用散射点耦合的方法简单易行，但是耦合效率低且难以提高。
技术实现思路
针对微腔传感器实用化的技术问题，本技术提出一种尖端封装有光学微球的高灵敏度光纤测温探针，提出了基于微粒散射、球腔聚焦、梯度折射率透镜、封装的回音壁模式光纤传感探针的实现方案，大大提高了耦合效率。为了达到上述目的，本技术的技术方案是这样实现的：一种尖端封装有光学微球的高灵敏度光纤测温探针，包括光纤、光纤接头和探头，光纤两端分别设有光纤接头和探头，探头包括光束扩展装置、聚焦透镜和光学微球，光束扩展装置固定在光纤上，聚焦透镜与光束扩展装置相连接，聚焦透镜的前侧封装有光学微球，光学微球位于聚焦透镜的焦点处，光学微球前部设有散射点。所述光学微球和散射点固定在封装内，封装为低折射率的光学胶水，封装将光学微球和散射点固定在聚焦透镜的一侧。所述光学微球由二氧化硅材料制成，光学微球的折射率是温度的函数，光在光学微球中沿表面分布形成共振回音壁模式；光学微球的光学品质因子较大，损耗较小，探测光在光学微球内被增大数十万倍，光学微球折射率随温度的细微变化就能引起光信号的可探测响应。所述光学微球的直径为几微米到几十微米，光学微球为点传感器，点传感器能提升温度测量的三维空间分辨率，光学微球可准确定位测量局部的温度变化。所述光学微球采用喷液冷却或溶胶凝胶批量生产。所述散射点为点缺陷或纳米散射颗粒，散射点将光向四周散射；因为珀塞尔效应，被散射点所散射的入射光频率与微腔模式频率符合时，大部分的散射光将被散射进入光学微球中。所述光束扩展装置为光纤衬垫，聚焦透镜为光纤透镜。本技术的有益效果：本技术是一种基于单接口远场耦合装置的光学回音壁模式光纤传感探针，通过微粒散射、球腔聚焦、梯度折射率透镜组合的方式提高远场耦合效率；从同一端口收集传感信号，把信号送回光纤中再传输到信号处理端，简便易用。本技术利用微球腔二次聚焦的方式耦合提高了散射耦合的效率，将一般散射耦合效率1%提高至16.8%；同时单一接口、球腔位于顶端的配置有利于做探针。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本技术的结构示意图。图2为图1所示探头的放大图。图3为图2中光学微球的放大图。图中，1为光纤接头，2为光纤，3为探头，31光束扩展装置，311为光纤衬垫，32为聚焦透镜，321为光纤透镜，33为封装，34为光学微球，35为散射点。具体实施方式下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。如图1、图2和图3所示，一种尖端封装有光学微球的高灵敏度光纤测温探针，包括光纤2、光纤接头1和探头3，光纤2两端分别设有光纤接头1和探头3，光纤接头1方便光纤2与其他光纤信号线相连接，探头用于探测温度变化。光纤2内设有光纤芯层21，用于发射光束和传输光束。探头3包括光束扩展装置31、聚焦透镜32和光学微球34，光束扩展装置31固定在光纤2上，聚焦透镜32与光束扩展装置31相连接，聚焦透镜32的前侧设有光学微球34，光学微球34位于聚焦透镜32的焦点处，光学微球34前部设有散射点35，散射点35设置在光学微球34的顶端。聚焦透镜32和光束扩展装置31的截面均为矩形。光学微球34封装在探头3的尖端，光束扩展装置31设置在聚焦透镜32与光纤2的端面之间。本技术中的光学微球起传感器的作用，它能将环境温度的变化转变成共振光波长的变化。光学微球34由二氧化硅材料制成，二氧化硅材料有光折变效应，也就是说光学微球34的折射率是温度的函数，光在光学微球34中沿表面分布形成回音壁模式，回音壁模式的共振波长强烈的依赖于材料的折射率。因此微球周围的温度改变会引起微球折射率改变，进而引起模式共振波长的剧烈变动。光学微球作为传感器的优势在于：灵敏度极高、定位准确、响应时间短、制作简单。影响光学传感器灵敏度的一个关键因素是光与物质相互作用的强度，而相互作用强度与光强正相关。光学微球34的光学品质因子与模式体积之比较大，因此，输入光强在光学微球34内被增大数十万倍，光学微球34的折射率随温度的细微变化就能引起光信号的可探测响应。若以几十微米作为衡量的最小尺度，传统的温度计是体传感器，薄膜温度传感器是面传感器，光纤上的布拉格光栅是线传感器，而直径在几微米到几十微米的微球可以视为点传感器。光学微球34的直径为几微米到几十微米，光学微球34为点传感器，点传感器能提升温度测量的三维空间分辨率，光学微球34可准确定位测量局部的温度剧变。同时，小尺度的光学微球34热容小对温度变化的响应时间短。最后，球形腔体是目前各类回音壁模式微腔中最易制作获取的。光学微球34采用喷液冷却或溶胶凝胶批量生产，因此具有制作简单、成本低廉的优点。散射点35为点缺陷或纳米散射颗粒，散射点35将光向四周散射；因为珀塞尔效应，被散射点35所散射的入射光频率与微腔共振频率符合时，大部分的散射光将被散射进入光学微球34中。光束扩展装置31为光纤衬垫311，聚焦透镜32为光纤透镜321。聚焦透镜32、光束扩展装置31以及微球上的散射点35组合实现传输光纤和微球之间光能的双向耦合。工作过程：光纤2的端面发射出的光束在光纤衬垫311中传输一段距离之后被扩展到接近光纤透镜321的口径，扩展后的发散光束经过光纤透镜321的聚焦投向带散射点35的光学微球34。投射到光学微球34表面上的光束经过光学微球34本身的二次聚焦准确汇聚到光学微球34顶端表面的散射点35上，散射点35将光向四周散射。因为存在珀塞尔效应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种尖端封装有光学微球的高灵敏度光纤测温探针，其特征在于，包括光纤（2）、光纤接头（1）和探头（3），光纤（2）两端分别设有光纤接头（1）和探头（3），探头（3）包括光束扩展装置（31）、聚焦透镜（32）和光学微球（34），光束扩展装置（31）固定在光纤（2）上，聚焦透镜（32）与光束扩展装置（31）相连接，聚焦透镜（32）的前侧封装有光学微球（34），光学微球（34）位于聚焦透镜（32）的焦点处，光学微球（34）前部设有散射点（35）。

【技术特征摘要】
1.一种尖端封装有光学微球的高灵敏度光纤测温探针，其特征在于，包括光纤（2）、光纤接头（1）和探头（3），光纤（2）两端分别设有光纤接头（1）和探头（3），探头（3）包括光束扩展装置（31）、聚焦透镜（32）和光学微球（34），光束扩展装置（31）固定在光纤（2）上，聚焦透镜（32）与光束扩展装置（31）相连接，聚焦透镜（32）的前侧封装有光学微球（34），光学微球（34）位于聚焦透镜（32）的焦点处，光学微球（34）前部设有散射点（35）。2.根据权利要求1所述的尖端封装有光学微球的高灵敏度光纤测温探针，其特征在于，所述光学微球（34）和散射点（35）固定在封装（33）内，封装（33）为低折射率的光学胶水，封装（33）将光学微球（34）和散射点（35）固定在聚焦透镜（32）的一侧。3.根据权利要求1或2所述的尖端封装有光学微球的高灵敏度光纤测温探针，其特征在于，所述光学微球（34）由二氧化硅材料制成，光学微球（34）的折射率是温度的函数，光在光学微球（34）中沿表面分布形成共振回音壁模式；光学微球（34）的光学品...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒方杰，姜雪峰，杨兰，黄丽芝，王蒙，
申请(专利权)人：商丘师范学院，
类型：新型
国别省市：河南,41