一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明提供了一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，屬于光纖 傳感技術領域。
【背景技術】
[0002] 光纖邁克爾遜干涉儀廣泛應用于傳感領域中。傳統的光纖邁克爾遜干涉儀是通過 耦合透鏡使He-Ne激光進入單模光纖，然后通過光纖耦合器分成強度相等的兩束光。兩束 光分別進入參考臂和傳感臂中進行傳播。在兩干涉臂中傳輸的光經各自光纖端面的反射鏡 反射重新返回到光纖中，在這一過程中傳感臂受到被測物理量的影響，因此在兩臂中傳輸 的光產生光程差，在光纖耦合器的另一輸出端將發(fā)生干涉。通過光電探測器來檢測輸出的 干涉信號干涉圖。相對于其他結構的傳感器如基于馬赫曾德干涉儀的光纖傳感器，基于邁 克爾遜干涉儀的光纖傳感器尤為顯著的優(yōu)點是該傳感器測量的是反射譜。這個特點使得它 能夠更加便利的應用到實際生活中去。近年來，人們提出一種新型的全光纖邁克爾遜干涉 儀，通過引進一些光纖加工技術使得該干涉儀結構可在一根光纖上實現。該新型的全光纖 干涉儀相對于傳統的干涉儀結構簡單，使用方便。本專利中提出的一種基于光纖空氣環(huán)腔 的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器的制作使用到了飛秒激光器。飛秒激光器主要用于精密的 微納加工，可實現超高分辨率，超高精度，從而達到納米尺度的加工制造。這種全光纖的邁 克爾遜干涉儀具有靈敏度高，結構微小，柔韌性好，成本低等優(yōu)點。
[0003] 基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器中的空氣環(huán)腔結構使得原來 僅在纖芯中傳輸的光分別以纖芯模和空氣環(huán)腔模的形式進行傳輸，而金膜使得在纖芯和空 氣環(huán)腔中傳輸的光在金膜端面處發(fā)生反射并在空氣環(huán)腔結構的起始端面發(fā)生干涉。干涉光 譜顯示在光譜儀上。當使用該傳感器對外界環(huán)境溫度進行測量時，每次改變溫度都會使干 涉條紋發(fā)生漂移。這是由于空氣環(huán)腔模和纖芯模對溫度變化的響應程度不同，從而導致原 來的光程差發(fā)生改變。隨著光程差的改變，干涉條紋就會有所改變。當溫度經過一系列的 變化之后，即可以在光譜儀上觀察到與之相對應的一系列的干涉條紋。在干涉條紋的某些 特征位置，比如干涉峰或干涉谷，可以看到極值所位于的波長發(fā)生漂移，通過監(jiān)測干涉光譜 的漂移量可以實現溫度測量。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器。 該裝置能夠將待測溫度的變化量轉化為探測信號的波長漂移量。具有靈敏度高，結構微小， 柔韌性好，成本低等優(yōu)點。
[0005] 本發(fā)明通過以下技術方案實現：
[0006] -種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：由入射光 纖（1)、空氣環(huán)腔結構（2)、石墨烯膜（3)和金膜（4)組成；空氣環(huán)腔結構（2)的兩端分別與 入射光纖（1)和石墨烯膜（3)相連接；石墨烯膜（3)兩端分別與空氣環(huán)腔結構（2)和金膜 (4)相連；入射光纖（1)與空氣環(huán)腔結構（2)與石墨烯膜（3)與金膜（4)共同構成邁克爾 遜干涉儀。
[0007] 所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：入 射光纖（1)可米用G. 652單模光纖，入射光纖（1)長度為20~40cm。
[0008] 所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：空 氣環(huán)腔結構（2)所使用的光纖可采用G. 652單模光纖，長度為50um~100um，空氣環(huán)腔結 構（2)的環(huán)腔外圓半徑為4um~7um，內圓半徑為2um~5um，空氣環(huán)腔結構（2)的同心圓 半徑差為2um〇
[0009] 所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：金 膜⑶厚度為IOOnm 0
[0010] 本發(fā)明的工作原理是：當寬帶光源發(fā)出的光經過入射光纖到達空氣環(huán)腔時，由于 入射光纖的纖芯直徑比具有空氣環(huán)腔結構的這段光纖的纖芯直徑粗。這樣原本在纖芯中傳 輸的光被分成兩部分，一部分光將繼續(xù)沿著纖芯傳輸，另一部分光進入空氣環(huán)腔中傳輸，當 兩束光到達金鏡時，在纖芯和空氣環(huán)腔中傳輸的光在金膜端面發(fā)生反射并在空氣環(huán)腔結構 的起始端面發(fā)生干涉，通過光譜儀來顯示反射光譜圖。
[0011] 其中纖芯與空氣環(huán)腔之間傳輸的光發(fā)生了干涉，可以用已知的公式得：
[0012]
[0013] 其中I是干涉信號的強度，和I _lty分別是從金膜面反射到纖芯和空氣環(huán)腔 結構中的光的光強，λ為入射光波長，(PD是邁克爾遜干涉儀的來回的光程差，％:是干涉的 初始相位。初始的OPD可以用公式⑵表示：
[0014]
[0015] 其中n_是纖芯的折射率，L是空氣環(huán)腔的長度。
[0016] 由于熱光效應和光纖熱膨脹的存在，導致11。_和L會隨著溫度的改變而改變。邁 克爾遜干涉儀的光程差OPD隨溫度變化△ T的的變化公式：
[0017]
[0018] 其中aT。和aTE分別是熱光系數和光纖硅介質的熱膨脹系數。由公式⑴和公式 (3)可以得出溫度靈敏度為
[0019]
(4)
[0020] 其中λ。是強度最大或者最小時的波長，Δ λ。是在λ。處的波長漂移。溫度的靈 敏度主要決定于傳感器的熱光效應。
[0021] 當使用該傳感器對外界溫度進行測量時，每次改變外界溫度，由于空氣環(huán)腔模和 纖芯模對溫度的響應程度不同，使得空氣環(huán)腔模與纖芯模的光程差發(fā)生改變，從而改變了 空氣環(huán)腔模與纖芯模之間的相位差，干涉條紋發(fā)生漂移，通過監(jiān)測干涉光譜波長漂移量可 以還原待測信號。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是：該溫度傳感器是基于空氣環(huán)腔結構的邁克爾遜干涉儀制作 而成的。纖芯中傳輸的光由于傳入光纖與空氣環(huán)腔的纖芯大小不匹配，使得原本在傳入光 纖纖芯中傳輸的光一部分將繼續(xù)沿著燒損的纖芯傳輸，另一部分光進入空氣環(huán)腔。當到達 金膜時，在空氣環(huán)腔和在纖芯中傳輸的光將在金膜端面發(fā)生反射并在空氣環(huán)腔的起始端面 發(fā)生干涉。當改變傳感器的外界溫度時，對應的干涉光譜將會漂移。該傳感器采用邁克爾 遜干涉儀，穩(wěn)定性更好，靈敏度更高，并且不易受到外界折射率變化的影響。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器示意圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明的經飛秒激光器打孔前后的光纖端面示意圖；
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖及實施實例對本發(fā)明作進一步描述：
[0026] 參見附圖1，一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，由入射光纖 (1)、空氣環(huán)腔結構（2)、石墨烯膜（3)和金膜（4)組成；空氣環(huán)腔結構（2)的兩端分別與入 射光纖（1)和石墨烯膜（3)相連接；石墨烯膜（3)兩端分別與空氣環(huán)腔結構（2)和金膜（4) 相連；入射光纖（1)與空氣環(huán)腔結構（2)與石墨烯膜（3)與金膜（4)共同構成邁克爾遜干 涉儀?？諝猸h(huán)腔結構（2)的制作過程如下：用飛秒激光器在光纖端面進行打孔，將激光光斑 直徑調到2um左右，在包層里沿著纖芯打一圈小孔，每個小孔之間有交叉。同時調節(jié)飛秒激 光器的強度和聚焦點遠近從而控制小孔的深度。經飛秒激光器處理過后，可在纖芯與包層 交界處形成環(huán)形空氣腔。打孔前后光纖端面如圖2所示，其中中心的黑色區(qū)域代表纖芯，可 以發(fā)現在打孔前后，纖芯直徑減小。打完孔后，由于環(huán)形空氣腔的內表面不夠光滑，于是使 用HF腐蝕光纖，使其平滑。在空氣環(huán)腔的一端鍍上金膜（3)的過程如下：因為是在空腔端 面鍍金膜，使用噴金的方法容易噴到空腔里，因此要在鍍金的光纖表面先鍍一層石墨烯膜， 從而防止噴的金進入空腔。
[0027] 本發(fā)明裝置的工作方式為：將溫度傳感器的一端接寬帶光源，另一端接光譜儀。 當寬帶光源發(fā)出的光經入射光纖到達空氣環(huán)腔結構時，原本在纖芯中傳輸的光被分為兩部 分，一部分進入空氣環(huán)腔，另一部分光將繼續(xù)沿著纖芯傳輸。金膜使得在纖芯和空氣環(huán)腔中 傳輸的光在金膜端面發(fā)生反射并在空氣環(huán)腔結構的起始端面發(fā)生干涉。當改變傳感器的外 界溫度時，對應的干涉光譜將會漂移，通過光譜儀來監(jiān)測邁克爾遜干涉儀的反射譜的變化， 從而可以得出該傳感器的靈敏度。
【主權項】
1. 本發(fā)明提供了 一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀（Michelson interferometer)的溫度傳感器，其特征在于：由入射光纖（1)、空氣環(huán)腔結構（2)、石墨稀 膜⑶和金膜⑷組成；空氣環(huán)腔結構⑵的兩端分別與入射光纖⑴和石墨烯膜⑶相 連接；石墨烯膜（3)兩端分別與空氣環(huán)腔結構（2)和金膜（4)相連；入射光纖（1)與空氣環(huán) 腔結構（2)與石墨烯膜（3)與金膜（4)共同構成邁克爾遜干涉儀。2. 根據權利要求1所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其 特征在于：入射光纖（1)可采用G. 652單模光纖，入射光纖（1)長度為20~40cm。3. 根據權利要求1所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其 特征在于：空氣環(huán)腔結構（2)所使用的光纖可采用G. 652單模光纖，長度為50um~100um， 空氣環(huán)腔結構（2)的環(huán)腔外圓半徑為4um~7um，內圓半徑為2um~5um，空氣環(huán)腔結構（2) 的同心圓半徑差為2um〇4. 根據權利要求1所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其 特征在于：金膜（4)厚度為IOOnm0
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀(Michelson？interferometer)的溫度傳感器，其特征在于：由入射光纖(1)、空氣環(huán)腔結構(2)、石墨烯膜(3)和金膜(4)組成；空氣環(huán)腔結構(2)的兩端分別與入射光纖(1)和石墨烯膜(3)相連接；石墨烯膜(3)兩端分別與空氣環(huán)腔結構(2)和金膜(4)相連；入射光纖(1)與空氣環(huán)腔結構(2)與石墨烯膜(3)與金膜(4)共同構成邁克爾遜干涉儀；本發(fā)明靈敏度高，結構微小，柔韌性好，成本低，可以應用于各種高溫測量的實際工程中。
【IPC分類】G01K11/32
【公開號】CN105157875
【申請?zhí)枴緾N201510353355
【發(fā)明人】王東寧, 倪凱, 馬啟飛, 黃然
【申請人】中國計量學院
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年6月19日