一种低成本可重复生产的光纤非封闭法布里-珀罗传感器

技术领域

本发明设计光纤传感技术领域，特别是涉及低成本可重复生产的光纤非封闭法布里-珀罗传感器。

背景技术

光纤法布里-珀罗传感器作为光干涉类结构的典型代表，是当前实际应用最普遍、机理最成熟的一类光器件。其具备动态范围大、灵敏度高、稳定性好、抗电磁干扰、适用于极端环境、可实现长距离复用等优点，在电力交通、生物化学、航空航天、天文气象、微生物探测等领域拥有广阔的应用情景。

光纤法布里-珀罗传感器种类多样，制备方式包括：用毛细管准直两根光纤，在光纤端面一定距离外用套管固定反射膜片，在两根标准单模光纤之间拼接一段特种类型光纤（例如毛细管光纤或空芯光纤等），通过特殊放电在光纤端面形成微泡结构等。上述制备光纤法布里-珀罗传感器的方法虽然成本低廉、成品率高，但存在以下问题：法布里-珀罗腔完全封闭，只能传感温度、应变等物理量，无法测量环境气体或液体折射率；重复性差，特种类型光纤需要通过切割工艺得到，批量生产时很难保证特种类型光纤尺寸一致，因此每次制备的法布里-珀罗腔很难保持一致，难以批量生产出性能参数几乎一致的传感器，导致不同传感器需要做繁琐的校准工作。目前能制备出非封闭腔且可批量生产的光纤法布里-珀罗传感器只有飞秒激光加工、等离子束刻蚀等技术，而这类加工技术普遍成本高昂且制备周期长，限制了光纤法布里-珀罗传感器的实用性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种低成本可重复生产的光纤非封闭法布里-珀罗传感器。

一种低成本可重复生产的光纤非封闭法布里-珀罗传感器，包括相连的传导光纤和传感光纤两部分；所述的传导光纤包括包层和纤芯；所述的传感光纤包括包层和纤芯，包层设有一个或多个空气孔，传感光纤自由端为45度倾斜端面，从而纤芯短于空气孔，包层内的空气孔形成至少两个折射率跃变且平行于光纤轴向的反射面，构成了至少一个位于传感光纤内部的非封闭式跨轴法布里-珀罗腔；光纤包层外壁至少提供一个反射面；所述倾斜端面法线与传感光纤轴和空气孔形成的反射面的法线位于同一平面内，并与传感光纤轴成45°角，将纤芯的光垂直射出或将垂直于纤芯射入的光耦合进入纤芯。

所述的倾斜端面镀有金属膜，用于增加反射率。

所述的法布里-珀罗腔的腔长由光纤的拉丝工艺决定。

所述的法布里-珀罗腔内填充外界气体或液体，从而直接对环境气体或液体的折射率进行测量；或者填充介质后用于测量温度、湿度、应力、振动物理参量中的一种或者多种。

所述的法布里-珀罗腔的腔体对外界的折射率及温度的敏感度不同，从而实现对目标探测物的折射率与温度的双参量同时解调。

所述的传感光纤是指包层设有至少一个空气孔的微结构光纤，具体可以是单边孔光纤、双边孔光纤或者单芯四孔光纤等。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种低成本、可重复生产的光纤非封闭法布里-珀罗传感器可实现批量生产，且每次生产的光纤法布里-珀罗传感器参数可以保持高度一致；法布里-珀罗腔为非封闭式，适用于更多的测量场景，特别是用于测量环境气体或液体的折射率；成本低，制备工艺简单，成品率高，生产周期短；由于至少存在三个反射面，可形成双法布里-珀罗干涉腔复合结构，不同的腔体对外界的折射率及温度的敏感度不同，可以实现折射率与温度的双参量同时解调；法布里-珀罗腔位于光纤部内，结构更紧凑。

附图说明

图1为本发明一实施方式的结构示意图。

图2为图1的剖面图。

其中，1-第一反射面，2-第二反射面，3-第三反射面，4-倾斜端面，5-单边孔光纤包层，6-空气孔，7-纤芯，8-单边孔光纤，9-传导光纤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称与另一个元件“连接”或元件被称为“连接至”另一个元件时，它可以直接与另一个元件连接或者也可以存在居中的元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1、图2，本实施例中使用单边孔光纤8作为所述传感光纤。单边孔光纤8一端与普通传导光纤9连接，另一端经过抛磨后形成了倾斜端面4，倾斜端面4上镀有金属膜，用于增加反射率，倾斜端面4倾斜角度为45°，能把纤芯7的光旋转90°垂直射到空气孔6中，光经过空气孔6的上表面的位置作为第一反射面1，光经过空气孔6的下表面的位置作为第二反射面2，光入射到光纤包层外壁的位置作为第三反射面3。需要说明的是，在其他实施例中，单边孔光纤8可以采用双边孔光纤或者单芯四孔光纤等包层设有至少一个空气孔的微结构光纤替代。

传导光纤、传感光纤的包层可以不同，传导光纤、传感光纤的纤芯尺寸相同或者接近。

本实施例中提出的一种低成本可重复生产的光纤非封闭法布里-珀罗传感器可使用下述制备方法制作：

1） 将单边孔光纤8一端与普通传导光纤9连接。

2） 单边孔光纤8的另一端切平后，放入显微镜观察，确定空气孔6的位置。

3） 将单边孔光纤8夹紧后放上抛磨机，使切平端面与砂纸夹角约为45°，且空气孔6轴线与纤芯7轴线在同一平面且垂直于砂纸平面，打磨抛光，空气孔6要比纤芯7长。

4） 通过显微镜直接观察单边孔光纤8的倾斜端面4以及观察反射光谱中否有干涉谱判断倾斜端面4倾斜角是否为45°，如果不是，调整单边孔光纤8与砂纸夹角重复步骤3），直到出现干涉谱。

5） 在倾斜端面4镀一层金属反射膜。

工作时，光源的光首先耦合到普通传导光纤9的纤芯，然后进入单边孔光纤8的纤芯4，最终以45°的入射角入射到倾斜端面4，镀有金属反射层的倾斜端面4将光反射到第一反射面1、第二反射面2和第三反射面3，三个反射面都会将光部分反射回到倾斜端面4与纤芯7交汇处位置，倾斜端面4会将光重新耦合进入纤芯7，第一反射面1和第二反射面2与两者间的介质形成了一个法布里-珀罗腔，两个反射面反射的光会产生干涉条纹，因为法布里-珀罗腔与外界连通，外界气体或液体可以流入法布里-珀罗腔，气体或液体的折射率变化会导致FP干涉的光程差变化，干涉谱会产生漂移。

低成本可重复生产的光纤非封闭法布里-珀罗传感器有两种解调方法：波长解调和功率解调：

1）波长解调即直接通过所述法布里-珀罗传感器的反射光谱来解调法布里-珀罗腔内的介质折射率大小，所需光源为宽带光源，探测器为光谱仪。另外，虽然第三反射面3的反射光比较小，但也会参与干涉，在光谱仪上可以解调出三光束干涉的干涉谱，而第三反射面3与第二反射面2之间介质为石英，由此可以进行折射率与温度的双参量同时解调，比如温度和介质折射率的同时解调。方法解调精度和准确度都比较高。

2）功率解调基于原理：光谱漂移时，在其曲线斜边位置的波长的光功率也会随之变化。所需光源为单色光源，探测器为光电探测器。相比波长解调，此方法虽然动态范围较小，但是结构简单、探测器体积小、成本低廉且可以进行高速探测。

本实施例所提出的光纤法布里-珀罗干涉腔的尺寸一致性取决于传感光纤包层中的空气孔的尺寸一致性，由于传感光纤包层中的空气孔通常是采用已经成熟的精密拉丝工艺生产而成，能够保证空气孔的直径沿光纤高度一致，因此批量生产时可以保证每次制备的法布里-珀罗腔高度一致。

本实施案例中所述的可批量生产光纤法布里-珀罗传感器可以保证每次生产的法布里-珀罗腔长高度一致，故每个传感器的干涉谱的自由光谱范围也高度一致，这使得所有传感器性能指标参数也保持高度一致，包括灵敏度，分辨率等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。