[发明专利]一种探针式光纤传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种探针式光纤传感器及其制备方法。

背景技术

在过去的几十年里，光纤传感器在各个行业的高温条件中，如石油勘探、大功率电气系统、隧道火灾警报器等涉及民生、国防军事等领域拥有广阔的应用潜能。与传统电气传感器相比，光纤传感器具有体积小、无源、抗辐射、抗电磁干扰、抗恶劣环境影响，以及易复用、易组网、易远程和分布式传感、对待测参量干扰小等优点引起了越来越多的关注。

各种光纤传感器已经被开发，包括布拉格光纤、长周期光纤光栅和各种光纤干涉仪如马赫-曾德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗(F-P)干涉仪。其中，基于布拉格光纤光栅的传感器被广泛使用，但标准光栅在800℃以上的温度下被擦除，且要求严格的周期性，限制了它们的应用。基于长周期光纤光栅传感器对弯曲或变形等外界环境存在很大的交叉串扰，且光栅结构尺寸较大(通常几厘米)。各种干涉结构方案，包括光纤锥、特殊光纤的熔接和纤芯失配结构已用来构建马赫-曾德尔干涉仪。然而，马赫-曾德尔干涉仪工作在传输模式，且结构不紧凑，不适合在狭小的空间和遥感工作。迈克尔逊干涉仪是反射探针，但它们的尺寸仍然不够小。此外，光纤锥、熔接和纤芯失配的结构通常具有很低的机械强度。与马赫-曾德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪相比，F-P干涉仪更加简单、紧凑，且非常适用于在狭窄的空间和远程传感。

基于各种技术的F-P干涉仪传感器也不断被推出，包括基于膜结构、基于特种光纤、基于多步熔接过程、基于化学腐蚀、基于聚焦离子束和基于激光加工的F-P干涉仪。前面所述四种技术构建的传感器，需要手动操作将多个分离的元件组合熔接到一起，同时，腔的长度是难以或不可能精确控制的。此外，特种光纤成本高，膜结构或多步熔接涉及复杂的制造步骤，化学腐蚀是危险的。基于聚焦离子束技术的缺点是耗时、过程复杂，成本高。已报道的基于激光微加工的F-P干涉仪技术主要是利用激光的烧蚀效应，如直接在单模光纤切割一个凹槽形成F-P干涉仪或使用激光器在光纤中贯穿一个通道。然而，由于光纤的大部分已被切除，因此槽后的机械强度差。此外，逐层切割制造工艺耗时、复杂。通道F-P干涉仪的机械强度仍然不够好，因为包层部分被去除。并且，需要额外的电弧放电过程来平滑微通道侧壁以提高的干涉条纹对比度。

由此可见，现有技术存在制造工艺耗时、制造工艺复杂、稳定性强差、抗恶劣环境干扰能力差、在空气中条纹对比度很低的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种探针式光纤传感器及其制备方法，由此解决现有技术存在制造工艺耗时、制造工艺复杂、稳定性强差、抗恶劣环境干扰能力差、在空气中条纹对比度很低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种探针式光纤传感器的制备方法，包括：

(1)在光纤一端加工一个端面，该端面作为探针式光纤传感器的一个反射镜面；然后将光纤置于三维移动平台上，使光纤的轴向垂直于激光入射方向；

(2)使激光聚焦于光纤纤芯中距离光纤端面一定距离的纤芯位置馈入激光能量，0＜一定距离＜光纤总长度，使该处激光能量大于纤芯材料损伤阈值，形成与纤芯折射率不同的调制点，构成探针式光纤传感器的另二个反射镜面。

进一步的，激光为二氧化碳激光、紫外激光、飞秒激光或者阿秒激光。

进一步的，激光为飞秒激光，激光能量为1μJ/pulse-4μJ/pulse。

进一步的，馈入激光能量改变后，得到各种不同干涉条纹对比度的探针式光纤传感器。

进一步的，光纤为单模光纤或者蓝宝石光纤。优选的，光纤为蓝宝石光纤。

按照本发明的另一方面，提供了一种探针式光纤传感器，所述探针式光纤传感器由上述探针式光纤传感器的制备方法制备得到。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明通过控制激光能量和焦点位置，只在设定的部分纤芯区域引起折射率的变化，而不损伤光纤，保证了光纤的完整性，提高了探针式光纤传感器抗外界恶劣环境干扰的能力和鲁棒性；

(2)本发明加工周期极短，极大地提高了器件的制作效率；制备方法适用范围广，可在各种光纤上制作基于探针式光纤传感器；

(3)本发明制成的器件结构简单、紧凑，性能稳定，灵活性高；激光加工技术重复性好，精度高，成本低，可控性好；

(4)通过改变激光加工参数，可以得到不同对比度的干涉条纹；从而满足各种不同的实际需求；