專利名稱：級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵的干涉儀，可用于溫度、電場、磁場以及液體折射率等物理量的實時監(jiān)測與測量。
背景技術(shù)：
光纖光柵是ー種新型光子器件，它在沿光纖軸線方向存在周期性的折射率分布，從而能夠控制光在光纖中的傳播行為。長周期光纖光柵的周期通常在幾十微米至幾百微米范圍內(nèi)，它能夠?qū)崿F(xiàn)能量從纖芯模式向同向傳輸?shù)陌鼘幽Ｊ街g的耦合。實現(xiàn)長周期光纖光柵的方法有很多種，包括準(zhǔn)分子激光照射、ニ氧化碳激光照射、飛秒激光照射、施加周期性壓カ等，每種寫制方法都有其獨特的成柵機(jī)制。然而由上述方法寫制的長周期光纖光柵通常為固化光柵，其光柵周期很難改變，這在很大程度上降低了光柵器件應(yīng)用的靈活性。光纖干涉儀是基于光波干渉原理的光纖光學(xué)器件，以其高靈敏度而在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng) 域有著重要的地位。由于外界參量的變化能夠?qū)е赂蓽h光相位差的改變，從而引起干渉光譜的移動，因此通過對其干涉光譜峰值波長漂移的監(jiān)測可以實現(xiàn)對長度、折射率、氣流密度、振動及加速度等參量的測量。目前常用的光纖干涉儀根據(jù)其結(jié)構(gòu)可以分為馬赫-曾德爾型、邁克爾遜型、薩格納克型及法布里-珀羅型等。級聯(lián)長周期光纖光柵干涉儀屬于馬赫-曾德爾型，由于其綜合了長周期光纖光柵和光纖干涉儀的優(yōu)勢，其傳輸譜對外界參量的改變非常敏感，具有很高的靈敏度和可調(diào)諧性，已被廣泛應(yīng)用于濾波、傳感等領(lǐng)域?，F(xiàn)有基于級聯(lián)長周期光纖光柵的馬赫-曾德爾干涉儀通常需要通過改變兩個長周期光纖光柵的間距和光柵諧振峰的深度來控制干涉條紋的周期和對比度，同時為了產(chǎn)生明顯的干渉效應(yīng)還要保證兩個級聯(lián)的長周期光纖光柵具有完全相同的周期性折射率調(diào)制分布。這些對干涉儀特性的調(diào)諧、干涉效應(yīng)的形成和干涉儀的集成化等造成了極大困難，并在很大程度上限制了其應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決以上基于普通固化級聯(lián)長周期光纖光柵干涉儀的調(diào)諧能力差、干渉效應(yīng)獲得困難和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，提供ー種結(jié)構(gòu)簡單、靈活可調(diào)、靈敏度高、易于實現(xiàn)的級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀。本發(fā)明提供的級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀，包括光源、3dB耦合器、微結(jié)構(gòu)光纖、兩個三維調(diào)節(jié)架、信號發(fā)生器、壓電陶瓷片、圓錐形聲放大器、聲阻尼器、光譜分析儀、連接用單模光纖和導(dǎo)線；兩個三維調(diào)節(jié)架之間固定有一段微結(jié)構(gòu)光纖，在微結(jié)構(gòu)光纖的中間設(shè)置有一個聲阻尼器，微結(jié)構(gòu)光纖的一端作為末端，其端面鍍高反膜，微結(jié)構(gòu)光纖的另一端連接3dB耦合器，3dB耦合器另ー側(cè)兩個端ロ用普通單模光纖分別與光源和光譜儀連接；圓形壓電陶瓷片的上下兩面分別用導(dǎo)線與信號發(fā)生器的兩極相連，并通過有機(jī)膠將圓錐形聲放大器粘在壓電陶瓷片上，聲放大器的錐尖與3dB耦合器及聲阻尼器之間的微結(jié)構(gòu)光纖側(cè)向粘貼。所述微結(jié)構(gòu)光纖由純石英纖芯和含空氣孔陣列包層構(gòu)成。所述光源為寬帶光源。所述光纖敏感區(qū)域為聲阻尼器和高反膜之間去除涂敷層的由純石英纖芯和含空氣孔陣列包層構(gòu)成的錐形微結(jié)構(gòu)光纖。本發(fā)明利用壓電陶瓷片將交流電信號轉(zhuǎn)化為聲波信號進(jìn)而作用于微結(jié)構(gòu)光纖。通過對外界參量變化時級聯(lián)聲致長周期微結(jié)構(gòu)光纖光柵干涉光譜漂移的監(jiān)測，可以測量各種物理量、化學(xué)量，如應(yīng)變、壓力、氣體濃度等。通過將液晶、磁流體等液體功能材料填充入級聯(lián)光柵之間的微結(jié)構(gòu)光纖包層空氣孔中，環(huán)境電場、磁場等發(fā)生變化時微結(jié)構(gòu)光纖包層空氣孔中的液體折射率會發(fā)生相應(yīng)改變，從而引起干渉光譜的變化，因此通過對干涉光譜的監(jiān)測可實現(xiàn)對電場、磁場等的測量。測試原理 如技術(shù)方案所述搭建光纖干涉儀，利用信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦電信號并通過壓電陶瓷片將其轉(zhuǎn)化為聲波信號，通過圓錐形聲放大器放大后，側(cè)向加載于微結(jié)構(gòu)光纖，從而引起沿光纖軸向折射率的周期性微擾，形成長周期光纖光柵；通過在微結(jié)構(gòu)光纖端面鍍高反膜使光波反射回來再次經(jīng)過聲致長周期光柵，形成級聯(lián)結(jié)構(gòu)，利用聲阻尼器使聲波作用區(qū)域限制于聲放大器錐尖和聲阻尼器之間的錐形微結(jié)構(gòu)光纖區(qū)域；級聯(lián)光柵的一端連接3dB耦合器，并將光纖固定于三維調(diào)節(jié)架上；耦合器另ー側(cè)的兩個端ロ用普通單模光纖分別與光源和光譜儀連接。光源輸出的光經(jīng)3dB耦合器傳輸至第一級長周期光柵時，滿足相位匹配條件的一部分纖芯模式能量耦合到同向傳輸?shù)陌鼘幽Ｊ讲⒃诎鼘又袀鬏?，?jīng)過傳感光纖到達(dá)端面，由于高反膜的作用，光波被反射再次經(jīng)過聲致長周期光柵后，一部分包層模式重新耦合回纖芯，并與剩余纖芯模式發(fā)生干渉。干渉光經(jīng)耦合器后，由光譜儀進(jìn)行監(jiān)測。聲致長周期光柵的光柵周期等效于光纖中的聲波波長，可以由下式計算
權(quán)利要求
1.一種級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀，其特征在于，包括光源、3dB耦合器、微結(jié)構(gòu)光纖、兩個三維調(diào)節(jié)架、信號發(fā)生器、壓電陶瓷片、圓錐形聲放大器、聲阻尼器、光譜分析儀、連接用單模光纖和導(dǎo)線；兩個三維調(diào)節(jié)架之間固定有一段微結(jié)構(gòu)光纖，在微結(jié)構(gòu)光纖的中間設(shè)置有一個聲阻尼器，微結(jié)構(gòu)光纖的一端作為末端，其端面鍍高反膜，微結(jié)構(gòu)光纖的另一端連接3dB耦合器，3dB耦合器另ー側(cè)兩個端ロ用普通單模光纖分別與光源和光譜儀連接；圓形壓電陶瓷片的上下兩面分別用導(dǎo)線與信號發(fā)生器的兩極相連，并通過有機(jī)膠將圓錐形聲放大器粘在壓電陶瓷片上，聲放大器的錐尖與3dB耦合器及聲阻尼器之間的微結(jié)構(gòu)光纖側(cè)向粘貼。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀，其特征在于所述微結(jié)構(gòu)光纖由純石英纖芯和含空氣孔陣列包層構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀，其特征在于所述光源為寬帶光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀，其特征在于所述級聯(lián)聲致光纖光柵僅利用一只聲致光纖長周期光柵，并通過高反膜將光反射之后再次經(jīng)過上述光柵形成干渉效應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀，其特征在于所述光纖敏感區(qū)域為聲阻尼器和高反膜之間除去涂敷層的由純石英纖芯和含空氣孔陣列包層構(gòu)成的錐形微結(jié)構(gòu)光纖。
6.權(quán)利要求I所述的級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀的應(yīng)用，其特征在于通過對外界參量變化時級聯(lián)聲致長周期微結(jié)構(gòu)光纖光柵干涉光譜漂移的監(jiān)測，可以測量各種物理量和化學(xué)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀的應(yīng)用，其特征在于可用于測量應(yīng)變、壓カ和氣體濃度。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀的應(yīng)用，其特征在于通過將液晶、磁流體等液體功能材料填充入聲阻尼器與高反膜之間的微結(jié)構(gòu)光纖包層空氣孔中，環(huán)境電場、磁場等發(fā)生變化時微結(jié)構(gòu)光纖包層空氣孔中的液體折射率會發(fā)生相應(yīng)改變，從而引起干渉光譜的變化，因此通過對干涉光譜的監(jiān)測可實現(xiàn)對電場、磁場等的測量。
全文摘要
一種級聯(lián)聲致微結(jié)構(gòu)光纖長周期光柵干涉儀，包括光源、3dB耦合器、微結(jié)構(gòu)光纖、兩個三維調(diào)節(jié)架、信號發(fā)生器、壓電陶瓷片、聲放大器、聲阻尼器、光譜分析儀、連接用單模光纖和導(dǎo)線，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。通過信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦電信號并作用于壓電陶瓷片，將其轉(zhuǎn)化為聲波信號，通過聲放大器放大后側(cè)向加載于微結(jié)構(gòu)光纖，形成聲致長周期光纖光柵，再通過高反膜形成馬赫-曾德爾干涉效應(yīng)；傳感光纖經(jīng)腐蝕產(chǎn)生倏逝場并置于待測環(huán)境中。此外將功能材料填充入微結(jié)構(gòu)光纖包層空氣孔中，亦可實現(xiàn)對電場、磁場等的測量并進(jìn)一步提高傳感靈敏度。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、可調(diào)諧性好、靈敏度高、可對折射率、溫度、電場、磁場和氣體濃度等多參量進(jìn)行傳感。
文檔編號G01D5/26GK102636197SQ20121014195
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者劉波, 劉艷格, 張昊, 王志, 苗銀萍, 董宏廣 申請人:南開大學(xué)