基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于飞秒刻写光纤F‑P腔级联FBG的微结构传感器及其制备方法，本发明专利技术提出的级联结构紧凑简单、稳定性高，通过飞秒激光直写加工光纤F‑P腔，并与准分子激光在SM‑28单模光纤上加工的切趾FBG级联，利用两种光学结构不同滤波及敏感特性进行测量和解调，一体实现双参数传感。

【技术实现步骤摘要】
基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器
本专利技术涉及光纤传感器件领域，特别涉及一种基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器。
技术介绍
20世纪70年代以来，光纤传感器件具有质量轻、体积小、抗腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点，已广泛应用于物理、化学、生物、医药、航空、航天等核心传感领，利用光纤传感器实现温度、应变、折射率、相对湿度和压强等多参数的测量已经成为研究热点之一。由于实际应用过程中交叉敏感问题普遍存在，近年来双参数传感器的研究受到广泛的关注，其中，应变与温度是两类重要的监测对象，也是其他物理量传感的技术基础。2015年卞继城等在单模光纤上熔接双球形结构与细芯光纤制作马赫-曾德(Mach-Zehnder,M-Z)干涉传感器实现对应变和温度的同时测量；同年，TongZ等利用光纤锥形结构和球形结构相结合的方式制作了M-Z干涉传感器，并将其与光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating,FBG)级联实现液位与温度测量；2016年，WuS等人通过FBG连接侧面开口的光纤法布里-珀罗谐振腔，并应用于气体压力及温度测量。同年，LiX等人利用单模光纤、多模光纤和光子晶体光纤制作了集成光纤F-P干涉仪与M-Z干涉仪的光纤传感器，通过分别观测F-P干涉仪的反射光谱与M-Z干涉仪的透射光谱，实现对折射率和温度的双参数测量。然而，目前大多数研究是将不同结构光纤通过级联的方式连接构成干涉结构，实现双参数测量，而利用飞秒激光直写制作本征型F-P干涉传感器实现双参数同时测量的研究相对较少。此外，均匀FBG反射谱两侧有较多旁瓣，这是由于光栅两端折射率突变形成F-P腔谐振产生，旁瓣的存在大大降低了FBG的波长选择性，通过对折射率分布加适当的切趾函数可以抑制旁瓣，显著提高滤波特性。因此，需要一种可实时结算环境温度和应变的基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模包括F-P腔结构，所述第二单模光纤包括切趾FBG结构，所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，构成微结构传感器。优选地，所述第一单模光纤采用H1060光纤。优选地，所述第二单模光纤采用SM-28单模光纤。优选地，所述F-P腔结构为由两个反射端面构成的腔长为50μm的微腔，其中，两个反射端面为相互平行的直线。本专利技术利用准分子激光在SM-28单模光纤上加工得到切趾FBG，与飞秒激光加工得到的F-P腔级联并观测其反射谱，该级联光纤传感器1520-1610nm波长范围内，FBG反射谱波峰位于1550.2470nm，最高对比度为-33.3dB；光纤F-P腔反射谱清晰明显，波长位置为1594.4065nm的特征波谷的对比度为-10.7dB。本专利技术还提供一种基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器的制备方法，包括如下步骤：步骤一：采用飞秒激光加工系统对单模H1060光纤进行直写，得到光纤F-P腔结构；步骤二：利用准分子激光加工单模光纤，得到切趾FBG；步骤三：利用光纤熔接机将上述光纤F-P腔结构与切趾FBG级联，得到微结构传感器。优选地，在步骤一中，所述飞秒激光器发出超窄脉宽飞秒激光经聚焦物镜聚焦至已开窗的单模HI1060光纤纤芯上，GUI控制平台移动和光斑闭合，通过高精度光谱分析仪实现刻写过程的实时监测。优选地，所述飞秒激光器的加工速度为80μm/s，刻线长度25μm，刻写的F-P腔长为50μm。优选地，在步骤二中，所述单模光纤采用SM-28单模光纤。本专利技术提出的级联结构紧凑简单、稳定性高，通过飞秒激光直写加工光纤F-P腔，并与准分子激光在SM-28单模光纤上加工的切趾FBG级联，利用两种光学结构不同滤波及敏感特性进行测量和解调，一体实现双参数传感。当应变ε单独变化时，FBG波长偏移量为：其中，λFBG是FBG干涉条纹波长，nFBG为FBG的有效折射率，ρ11和ρ12为光纤应力张量的分量，ν为泊松系数。当温度T单独变化时，FBG波长偏移量为：其中，αT1是FBG所用光纤的热膨胀系数，ζT1是FBG所用光纤的热光系数。利用飞秒激光在光纤中加工出两个锥形槽作为F-P腔的反射端面，经过端面反射的光会在纤芯中发生耦合。由于两束反射光的相位差异产生不同的干涉光强，对应反射光谱的不同峰值，形成干涉光谱。当两锥形反射槽之间的相位差满足π的奇数倍时，干涉强度取最小值：其中，I1和I2表示两个锥形槽的反射光强，L是F-P腔长，n为光纤纤芯的有效折射率，为两束发射光的初始相位差，k为整数，λF-P为光纤F-P干涉光谱中波谷的对应波长。当F-P腔内光程发生变化时，对波长λk求导可得：式中，Δ(nL)表示F-P腔内光程变化，Δλk为干涉光谱中波谷的波长漂移。当应变ε单独变化时，应变效应与光弹效应也会导致光纤F-P腔光程差发生变化：Δ(nL)＝nL(ξ+ρ)Δε(5)其中，ξ与ρ分别为光纤材料的应变系数和光弹系数。比较式和式可知，光纤F-P腔与FBG对于应变的灵敏度趋势相同，但线性系数不同，组成级联结构后两者对应变的波长漂移不会存在串扰。同理，当温度T单独变化时，热光效应与热膨胀效应导致光纤F-P腔光程差发生变化，即：Δ(nL)＝nL(αT2+ζT2)ΔT(7)由和可得：式中，αT2是F-P腔所用光纤的热膨胀系数，ζT2是F-P腔所用光纤的热光系数。比较式与式可知，光纤F-P腔与FBG对于温度的灵敏度趋势相同，均呈线性关系，具体数值区别主要体现在光纤材料上。要使得级联传感器的两处光学结构温度灵敏度不同，必须使用热膨胀系数与热光系数不同的光纤进行加工。本专利技术选用H1060光纤和SM-28单模光纤。设外界应变ε和温度T发生变化时，FBG和光纤F-P腔的反射谱波长变化ΔλFBG、ΔλF-P与应变变化Δε、温度变化ΔT的相关关系可表述如下：其中：Kε1、KT1分别为FBG的应变灵敏系数、温度灵敏系数；Kε.2、KT.2分别为光纤F-P腔的应变灵敏系数、温度灵敏系数。由可得，FBG和光纤F-P腔的应变、温度、波长漂移存在如下关系：求逆可得：由可知，若测得该光纤传感器对温度与应变变化的灵敏度，即可通过光谱仪监测透射谱波长变化，代入对外界环境温度与应变进行监测，实现温度与应变的双参数测量。本专利技术基于飞秒激光直写加工光纤F-P腔级联切趾FBG的微结构光纤传感器是解决单根光纤双参数测量的有效手段，利用不同光纤微结构对入射光的滤波特性，在不同波长位置构建特征波峰或波谷，通过各波峰或波谷对环境因素变化的灵敏度差异，实现环境参数的测量与解调。同时，本专利技术提出的微结构也可通过对多环境因素的独立性测试，为多因素的耦合测量与解耦提供参考价值。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示出了本专利技术的飞秒激光直写光纤F-P腔的加工系统结构示意图。图2示出了本专利技术的微结构传感器的反射谱图。图3示出了本专利技术的微结构传感稳定性测试的各特征峰的光谱图。图4示出了应变过程传感器FBG特征光谱及响应，其中，(a)为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于飞秒刻写光纤F‑P腔级联FBG的微结构传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模包括F‑P腔结构，所述第二单模光纤包括切趾FBG结构，所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，构成传感结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模包括F-P腔结构，所述第二单模光纤包括切趾FBG结构，所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，构成传感结构。2.根据权利要求1所述的微结构传感器，其特征在于，所述第一单模光纤采用H1060光纤；所述第二单模光纤采用SM-28单模光纤。3.根据权利要求1所述的微结构传感器，其特征在于，所述F-P腔结构为由两个反射端面构成的腔长为50μm的微腔。4.根据权利要求1所述的基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：采用飞秒激光加工系统对第一单模光纤进行直写，得到光纤F-P腔结构；步骤二：利用准分子激光加工第二单模光纤，得到切趾FBG；步骤三：利用光纤熔接机将上述光纤F-P腔结构与切趾FBG级联，得到微结构传感器。5.根据权利要求4所述的微结构传感器的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述飞秒激光器发出超窄脉宽飞秒激光经聚焦物镜聚焦至已开窗的第一单模光纤纤芯上，GUI控制平台移动和光斑闭合，通过高精度光谱分析仪实现刻写过程的实时监测。6.根据权利要求4所述的微结构传感器的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述飞秒激光器的加工速度为80μm/s，刻线长度25μm，刻写的F-P腔长为50μm，其中，所述F-P腔为由两个反射端面构成的微腔，两个反射端面为相互平行的直线。7.根据权利要求4所述的微结构传感器的制备方法，其特征在于，在步骤三中，所述微结构传感器的实现双参数传感的原理为：当应变ε单独变化时，FBG波长偏移量为：其中，λFBG是FBG干涉条纹波长，nFBG为FBG的有效折射率，ρ11和ρ12为光纤应力张量的分量，ν为泊松系数；当温度T单独变化时，FBG波长偏移量为：其中，αT1是FBG所用光纤的热膨胀系数，ζT1是FBG所用光纤的热光系数；利用飞秒激光在光纤中加工出两个锥形槽作为F-P腔的反射端面，经过端面反射的光会在纤芯中发生耦合；由于两束反射光的相位差异产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝连庆，张雯，董明利，娄小平，李红，何巍，陈少华，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11