本發(fā)明涉及一種新型的基于F-P微腔光纖傳感器其及制作方法，屬于光纖傳感領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

全光纖式F-P(法布里珀羅)干涉儀傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、抗電磁干擾、耐化學(xué)腐蝕、靈敏度高、適合遠(yuǎn)距離測量、易構(gòu)成大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)等一系列優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，在航空航天、食品安全、空氣質(zhì)量監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警、生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著FP干涉儀應(yīng)用領(lǐng)域的日漸擴(kuò)展，其制作方法也出現(xiàn)了多種方式。目前，全光纖FP干涉儀主要的制作方法有：

(1)通過普通單模光纖與其它不同種類的光纖熔接，如多模光纖、光子晶體光纖、空心光纖等。然而熔接的方法會導(dǎo)致不同光纖內(nèi)的光產(chǎn)生模式失配的問題、熔接位置容易斷裂以及手動操作出現(xiàn)的可重復(fù)性差等問題。同時(shí)，使用特種光纖增加了傳感器的成本。

(2)對光纖的端面進(jìn)行預(yù)先處理，如HF(氫氟酸)化學(xué)腐蝕、多次的熔接放電、在光纖的端面鍍膜等操作。該種方法需要首先將光纖的端面預(yù)先處理成一些特定的形狀，這增加了實(shí)驗(yàn)的工序，更重要的是，這些方法無法精確控制腔長，需要一系列復(fù)雜的制作工藝將分離的光纖組裝起來，同時(shí)這些器件本身也十分脆弱。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有F-P腔制作手段存在的不足，提供一種光纖F-P微傳感器制作方法，用于解決現(xiàn)有F-P腔制作方法可重復(fù)性差、難以精確控制腔長、組裝工序復(fù)雜、器件易損、成本較高等問題、。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施采用如下的技術(shù)方案：

一種F-P微腔光纖傳感器，其特征在于，光纖內(nèi)制作有兩個(gè)反射鏡，構(gòu)成了F-P微傳感器的兩個(gè)反射面；其中一個(gè)反射鏡面通過激光調(diào)制光纖折射率而成；另一個(gè)反射面為光纖端面。

相應(yīng)地，本發(fā)明提出一種光纖F-P微傳感器制作方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)在光纖一端加工一個(gè)端面，作為F-P微腔的一個(gè)反射鏡；

(2)將光纖置于三維移動平臺上，使光纖的軸向垂直于激光入射方向；

(3)根據(jù)F-P微腔設(shè)計(jì)參數(shù)要求，調(diào)節(jié)三維移動平臺，確定腔長；

(4)使激光聚焦于光纖纖芯中距離光纖端面一定距離的纖芯位置饋入激光能量，使該處能量超過纖芯材料損傷閾值形成折射率與纖芯不同的調(diào)制點(diǎn)，構(gòu)成F-P微腔的另一個(gè)反射面。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中的光纖端面，是用切割刀在光纖切割一個(gè)平面，或加工成一個(gè)錐面。

進(jìn)一步的，所述或者在光纖端面上附加了一層生化敏感膜，形成膜結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中的光纖端面上鍍有反射膜。

進(jìn)一步的，使用的激光為飛秒激光。

進(jìn)一步的，所述光纖為單模光纖。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的光纖傳感器制作方法，可用于本發(fā)明所述微腔光纖微傳感器。

本發(fā)明的工作原理是：將激光聚焦到光纖纖芯處，使激光聚焦處光纖纖芯折射率發(fā)生改變。折射率改變區(qū)域作為一種基于F-P微腔的光纖微傳感器的反射鏡面一；與之軸向相距一定距離的端面作為F-P微腔光纖傳感器的反射鏡面二；兩個(gè)反射鏡面構(gòu)成了一種基于F-P微腔光纖傳感器的兩個(gè)反射鏡面；當(dāng)F-P微腔光纖傳感器的兩反射鏡之間的光程差或者反射鏡面的反射率改變時(shí)，會引起干涉條紋的變化，從而實(shí)現(xiàn)物理量的測量；

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種基于F-P微腔的光纖傳感器裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過控制激光的脈沖能量和焦點(diǎn)位置，只在設(shè)定的部分纖芯區(qū)域引起折射率的變化，而不損傷光纖，保證了光纖的完整性，提高了F-P微腔光纖微傳感器抗外界惡劣環(huán)境干擾的能力和魯棒性；

(2)加工周期極短，實(shí)驗(yàn)所用時(shí)間極短，不大于0.1秒，極大地提高了器件的制作效率；

(3)制備方法適用范圍廣，可在各種光纖上制作基于F-P微腔光纖微傳感器；

(4)制成的器件結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，性能穩(wěn)定，靈活性高；

(5)激光加工技術(shù)重復(fù)性好，精度高，成本低，可控性好；

(6)本發(fā)明的微傳感器結(jié)構(gòu)在折射率測量方面，比已報(bào)道的同類型的基于強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器在靈敏度方面至少有一個(gè)數(shù)量級的提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明制作的端面切平的光纖微傳感器的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明制作的錐形的光纖微傳感器的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明利用激光器制作光纖微傳感器的示意圖；

圖4是本發(fā)明中測試器件信號的裝置示意圖；

圖5是腔長50um端面切平的F-P光纖微傳感器反射譜隨外界折射率的變化情況；

圖6是腔長50um端面切平的F-P光纖微傳感器某波長處反射譜底部變化情況；

圖7是本發(fā)明的鍍膜光纖微傳感器的結(jié)構(gòu)圖；

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：11—光纖，12—三維位移平臺，13—激光光束，14—顯微物鏡，15—激光器，22—平面腔反射鏡面一，23—平面腔反射鏡面二，31—錐面腔反射鏡面一，32—錐面腔反射鏡面二，33—反射鏡面二局部放大圖，41—寬帶光源，42—光纖環(huán)形器，43—光譜儀，44—實(shí)施例一所述的腔長為50um光纖微傳感器；73-膜結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明微傳感器加工具體如下。

實(shí)施例一：一個(gè)反射面是平面型的加工方法

(1)用切割刀在光纖切割一個(gè)端面，作為F-P微腔的一個(gè)反射鏡；

(2)將光纖置于三維移動平臺上，使光纖的軸向垂直于激光入射方向；

(3)根據(jù)F-P微腔參數(shù)要求，調(diào)節(jié)三維移動平臺，確定腔長；

(4)使激光通過顯微鏡的物鏡聚焦于光纖纖芯部位，饋入激光能量，在光纖內(nèi)激光聚焦部位形成折射率的調(diào)制點(diǎn)，構(gòu)成F-P微腔的另一個(gè)反射鏡。

如圖1所示，制成的光纖微傳感器特點(diǎn)在于，包括一根單模光纖(11)、單模光纖切平的端面反射鏡面二(13)以及距離端面一定距離的反射鏡面一(12)。所述的反射鏡面一(12)和反射鏡面二(13)構(gòu)成了F-P微腔；所述的反射鏡面一(12)是由于激光作用使得光纖纖芯折射率改變而成；所述反射鏡面二(13)是由光纖端面的菲涅爾反射構(gòu)成；所述的反射鏡面一(12)和反射鏡面二(13)之間的距離根據(jù)實(shí)際的需要而定。

實(shí)施例二：一個(gè)反射面是錐面型的加工方法

(1)用熔接機(jī)將光纖加伸成錐形，作為F-P微腔的一個(gè)反射鏡；

(2)將光纖置于三維移動平臺上，使光纖的軸向垂直于激光入射方向；

(3)根據(jù)F-P微腔參數(shù)要求，調(diào)節(jié)三維移動平臺，確定腔長；

(4)使激光通過顯微鏡的物鏡聚焦于光纖纖芯部位，饋入激光能量，在光纖內(nèi)激光聚焦部位形成折射率的調(diào)制點(diǎn)，構(gòu)成F-P微腔的另一個(gè)反射鏡。

如圖2所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于：所述的反射鏡面二(22)是一個(gè)錐形微傳感器，可以得到體積更小的光纖微傳感器。

實(shí)施例三：一種基于F-P微腔的光纖微傳感器的制作

(1)將端面切平的光纖置于三維移動平臺上；

(2)調(diào)節(jié)三維移動平臺使光纖的軸向垂直于激光入射方向；

(3)調(diào)節(jié)三維移動平臺，確定腔長；

(4)使激光通過顯微鏡的物鏡聚焦于光纖纖芯部位，饋入激光能量，在光纖內(nèi)激光聚焦部位形成折射率的調(diào)制點(diǎn)，構(gòu)成F-P微腔的另一個(gè)反射鏡。

如圖1所示，制作的光纖微傳感器特點(diǎn)在于，將光纖(11)置于三維移動平臺(32)上，使光纖(11)的軸向垂直于激光光束(33)的入射方向；通過顯微鏡觀察并調(diào)整所述光纖(11)的位置，使激光器(35)輸出的激光光束通過顯微物鏡(34)聚集于所述光纖(11)的中心；饋入激光能量使得激光在光纖(11)的內(nèi)部刻寫F-P干涉儀，不同的腔長對應(yīng)于不同的自由光譜范圍(FSR)，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需求方便地制作不同長度的腔長；

在本實(shí)施例中，所述的反射鏡面一，是由于激光的作用使得折射率改變而形成，所述的反射鏡面二為光纖端面；所述的飛秒脈沖激光波長為520nm；所述光纖為普通單模光纖，纖芯直徑約8.3um。

本發(fā)明傳感器的折射率傳感實(shí)驗(yàn)：

實(shí)施例四：

(1)本F-P折射率傳感裝置

將光源(41)連接一個(gè)光纖環(huán)形器(42)的輸入端口，光纖環(huán)形器(42)的輸出連接一個(gè)實(shí)施例一所述的飛秒脈沖激光制備的F-P光纖微傳感器(44)，反射端口連接光譜分析儀(43)；光源(41)發(fā)出的光首先經(jīng)過所述光纖環(huán)形器(42)導(dǎo)入到光纖微型折射率傳感器(44)，而后光纖微傳感器(44)將采集到的外界折射率信號通過所述光纖環(huán)形器(42)最終顯示在所述光譜分析儀(43)上。

(2)本F-P折射率傳感結(jié)果

圖5是腔長50um的端面切平的光纖微傳感器在不同折射率的溶液中光譜的變化情況，從圖中可知，在溶液中，干涉譜底部的強(qiáng)度迅速變化，圖6為某一個(gè)波長處干涉譜底部光強(qiáng)的大小隨折射率的變化情況，實(shí)驗(yàn)表明，在折射率為1.44時(shí)，靈敏度可以達(dá)到1902.8dB/RIU,這是目前為止已知的最高的基于強(qiáng)度調(diào)制的光纖折射率靈敏度，比已報(bào)道的靈敏度至少提高了一個(gè)數(shù)量級。

實(shí)施例五：激光調(diào)制F-P腔結(jié)合光纖鍍膜結(jié)構(gòu)

(1)饋入激光能量，在光纖內(nèi)激光聚焦部位形成折射率的調(diào)制點(diǎn)，構(gòu)成F-P微腔的另一個(gè)反射鏡；

(2)在光纖的端面上鍍膜；

如圖7所示，一種激光調(diào)制F-P腔結(jié)合光纖鍍膜結(jié)構(gòu)，F(xiàn)-P腔的實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，其特點(diǎn)在于，光纖端面上鍍膜或吸附膜(73)，如金屬、生化敏感材料膜，可制作成各種基本物理量以及生化微傳感器。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。