專利名稱：S形光纖單錐干涉儀的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖干涉儀傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種兩側(cè)拉力非同軸光纖熔融拉錐制備S形光纖單錐干涉儀的方法。
背景技術(shù)：
錐形光纖是一種截面半徑沿軸向逐漸變小再恢復(fù)的光纖無源結(jié)構(gòu)，通常采用光纖熔融拉錐或腐蝕的辦法得到。它是光纖通信及光纖傳感系統(tǒng)中重要的基本部件之一，可以用于光纖耦合器、波分復(fù)用器、光纖干涉儀等多種光學(xué)測量及傳感器件的制備。其中，利用錐形光纖制作的各類光纖干涉儀，如馬赫-曾德爾(MZ)干涉儀和邁克爾遜干涉儀，在光纖傳感方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，包括對應(yīng)力、溫度和折射率等多種物理及生物化學(xué)參量的傳感測量。由于光纖干涉儀傳感器兼容于光纖通信系統(tǒng)且具有本質(zhì)絕緣、不受電磁干擾、 耐蝕性強、體積小和靈敏度高等諸多優(yōu)點，是物聯(lián)網(wǎng)時代非常重要的一類傳感器件，具有非常好的應(yīng)用前景。目前，基于錐形光纖的干涉儀傳感器主要從設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)以簡化器件制備和提高傳感靈敏度兩方面進行研究。其中光纖馬赫-曾德爾干涉儀又比邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)更為簡單，所以對它的研究制備較多，應(yīng)用較廣。光纖MZ干涉儀屬于透射型干涉儀，其基本工作原理是入射光在一端將部分纖芯模能量轉(zhuǎn)移給包層模式，傳輸一段距離后，纖芯模和包層模將產(chǎn)生一定的相位差，到另一端后包層模能量再回傳到纖芯模，由于模式間相位差的存在，光能量在輸出端便能形成干涉效果，利用光譜分析儀可以檢測到輸出功率隨波長呈諧振的變化。而光纖錐的作用就是實現(xiàn)纖芯模和包層模之間的能量轉(zhuǎn)化，也稱為模式間的耦合。所以一種比較簡單的光纖MZ干涉儀結(jié)構(gòu)是在去掉涂覆層的光纖上一定距離間(幾十毫米)拉制兩個光纖錐，起到對模式能量的一分一合作用，形成干涉效果。而兩錐之間的部分，由于存在包層模的傳輸，對環(huán)境比較敏感，所以可用于環(huán)境折射率的測量。此外，干涉儀對臂長的變化也比較靈敏，當(dāng)光纖軸向被拉伸時輸出光譜也會發(fā)生變化，從而可以起到對應(yīng)力的檢測。雖然雙錐型的光纖MZ干涉儀結(jié)構(gòu)比較簡單，但折射率傳感靈敏度偏低，適用場合受限。為了提高其對環(huán)境折射率探測的靈敏度，人們在雙錐的基礎(chǔ)上研制了一種由三個光纖錐組成的三明治結(jié)構(gòu)的MZ干涉儀。中間的光纖錐可以使更多的包層模能量與環(huán)境相互作用，起到增大對環(huán)境折射率檢測的靈敏度。不過這種改進的效果也比較有限，而且增加一個光纖錐使制備變得稍微復(fù)雜的同時也令器件長度進一步增加，不利于其集成化應(yīng)用。所以，如何簡化光纖MZ干涉儀結(jié)構(gòu)并提高其傳感靈敏度成為其實用化道路上的一大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備S形光纖單錐干涉儀的方法，其特征在于首先將去掉涂覆層的光纖放入光纖夾具固定，然后根據(jù)要制備的S形光纖單錐彎曲程度設(shè)定兩個光纖夾具的軸向偏移量為25 μ m 700 μ m,最后在速度為10 μ m/s 50 μ m/s條件下通過熔融加熱方式拉錐得到S形光纖單錐干涉儀。本發(fā)明制備的S形光纖單錐干涉儀可獨立形成光纖馬赫-曾德爾干涉儀。本發(fā)明所述的光纖單錐由前后兩端的S形光纖彎曲(彎曲角度3° 30° )部分和中間的錐形 (錐腰截面直徑30 μ m 80 μ m，光纖錐長400 μ m 10000 μ m)部分構(gòu)成。其中，兩端的彎曲部分起到對纖芯模和包層模能量轉(zhuǎn)換的作用，而中間的錐形部分使包層模消逝場更多的進入環(huán)境，對環(huán)境的擾動更為敏感，因此能夠提高器件整體對環(huán)境折射率變化的靈敏度。這種S形光纖單錐干涉儀比現(xiàn)行公開的利用兩個或三個光纖錐制作的光纖MZ干涉儀在結(jié)構(gòu)上更簡單、緊湊，而且在環(huán)境折射率傳感和軸向應(yīng)力響應(yīng)中具有更高的探測靈敏度，是一種結(jié)構(gòu)簡單、制備方便、成本低廉、靈敏度高且易于集成化應(yīng)用的新型器件。以上方法中光纖夾具的軸向偏移量為25μπι 700μπι，可以是光纖兩端夾具在水平方向的偏移量為25μπι 700μπι、也可以是兩端夾具在垂直方向的偏移量為25μπι 700 μ m，還可以是兩端夾具既在水平的偏移又在垂直方向的偏移量均為25μπι 700μπι。以上方法中用于制備S形光纖單錐干涉儀的光纖可以是純石英光纖、摻雜石英光纖、氟化物玻璃光纖或光子晶體光纖，且既可以是單模光纖也可以是多模光纖。制備S形光纖單錐干涉儀時，根據(jù)情況可以選擇不同的光纖加熱熔融方式，可以是電弧放電加熱(放電電流8mA 20mA，放電時間k 30s)、火焰加熱(酒精燈400°C 500°C，氫氧焰2500°C 3000°C，時間范圍k 30s)或激光加熱(CO2激光器或YAG激光器，激光功率0. 5W 5W，加熱時間k 30s)，但不限于這些方法，只要能夠使光纖材料熔融易于拉錐即可。以上方法所涉及的光纖拉錐過程中，光纖加熱熔融的部分可以是光纖上固定的一 “點”(電弧放電情況，加熱部分只限于放電電極區(qū)域)或是光纖上均勻的一段(火焰加熱或激光加熱時，可以使熱源沿著光纖來回移動讓一小段光纖受熱均勻并軟化)。通過控制熔融加熱溫度、拉錐速度和拉錐時間，以及選取不同橫截面積光纖等，可以實現(xiàn)對光纖單錐長度、錐腰截面直徑的調(diào)整。通過改變夾具的軸向偏移量、熔融加熱溫度及拉錐速度等，可以實現(xiàn)對光纖單錐彎曲角度的調(diào)整。


圖1 本發(fā)明所述的一種制備S形光纖單錐的實驗裝置示意圖；圖2 本發(fā)明所述的S形光纖單錐的光學(xué)顯微鏡圖；圖3 本發(fā)明所述的S形光纖單錐的透射光譜圖；圖4 本發(fā)明所述的S形光纖單錐透射譜波長隨環(huán)境折射率變化結(jié)果；圖5 本發(fā)明所述的S形光纖單錐透射譜波長隨軸向拉力變化結(jié)果；圖6 本發(fā)明所述的不同彎曲程度的S形光纖單錐。如圖1所示，制備S形光纖單錐的實驗裝置各部件分別為1寬帶光源，2單模光纖，3、3’光纖夾具，4、4’步進電機，5、5’電弧放電電極，6光譜分析儀。如圖3所示，S形光纖單錐的透射譜中存在多個峰位，在環(huán)境折射率測量中監(jiān)測峰位7的變化，而在軸向拉力測量中監(jiān)測峰位8的變化。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作舉例進行詳細說明。實施例1 本實施例采用電弧放電熔融拉錐的方法在通信用單模光纖(SMFISe)中制備S形光纖單錐，具體使用的是愛立信FSU 975光纖熔接機自帶的拉錐程序進行實驗。實驗裝置示意圖如圖1所示，信號光由寬帶光源1(丹麥NKTPhotonics公司，Superk Compact)產(chǎn)生， 經(jīng)過單模通信光纖2 (芯層、包層直徑分別為9微米和125微米)進入光譜分析儀6(日本 ^kogawa公司，AQ6370B)，對透射光譜進行實時監(jiān)測。實驗所使用的光纖熔接機在圖1中的部件包括光纖夾具3(3’)、步進電機4(4’ )和電弧放電電極5(5’)。將熔接機工作模式選擇在拉錐狀態(tài)，并設(shè)置放電電流為10mA，放電時間為10s。拉錐前先需調(diào)整兩光纖夾具(3、 3’)間軸向的偏移量，在水平方向上，使兩夾具軸向錯開120μπι。然后用光纖剝皮鉗將光纖2中間一小段(3cm 5cm)的涂覆層去除，并用酒精棉球擦拭干凈，放入熔接機的光纖夾具間固定住。此時可以看到熔接機上液晶屏中的光纖是傾斜的，進一步確認了光纖兩端夾具不同軸。最后運行熔接機的拉錐程序并觀察透射光譜的變化。可以發(fā)現(xiàn)剛開始放電時僅有損耗，隨著放電時間的延長，透射譜中出現(xiàn)了明顯的諧振峰。如圖3所示，為拉錐完成后得到的透射光譜，最大峰的深度約17dB。圖2給出的是對應(yīng)的光纖錐的光學(xué)顯微鏡照片， 可以發(fā)現(xiàn)彎曲的光纖錐呈“S”形。這段S形光纖單錐的長度約為650 μ m，錐腰處的直徑為 63 μ m，彎曲角度為6. 4°。而彎曲形成的軸向偏移量約為96 μ m，小于初始設(shè)置值120 μ m， 可能是由于放電電流偏小或拉錐時間偏短所致。實施例2 對實施例1制備的S形光纖單錐進行環(huán)境折射率及軸向拉力響應(yīng)的測試。如圖4 所示，給出了 S形光纖錐在不同環(huán)境折射率下透射譜波長的變化情況，該波長對應(yīng)于圖3中的峰位7。光纖錐在空氣中的情況對應(yīng)圖中左邊的第一個點，折射率為1，其它點表示光纖錐浸沒在折射率匹配液中的情況。匹配液是由甘油和水以不同體積比配制而成，其折射率經(jīng)阿貝折射儀標(biāo)定(室溫20°C，測量波長589nm)。從圖示結(jié)果可以看出，隨著外界折射率的增加，峰值波長往長波方向移動，并且變化率逐漸增大。當(dāng)環(huán)境折射率達到1. 425時，器件的折射率靈敏度高達1590nm/RIU (折射率單位)，此時的峰值波長隨外界折射率的變化非常迅速，擁有很高的探測靈敏度。圖5給出了 S形光纖單錐在軸向拉力下透射譜波長的變化結(jié)果，該波長對應(yīng)于圖 3中的峰位8。光纖錐上所施加的軸向拉力大小從ON增大到1. 2N,峰值波長隨拉力的增加向短波方向移動，經(jīng)過擬合得到其平均的應(yīng)力靈敏度為-69nm/N，轉(zhuǎn)換為應(yīng)變靈敏度大約是-50pm/ μ ε 0實施例3 根據(jù)實施例1所描述方法，僅改變兩端光纖夾具在水平方向的軸向偏移量而其它條件不變，可以得到不同彎曲程度的S形光纖單錐結(jié)構(gòu)。如圖6所示，S形光纖單錐的長度均為650 μ m，錐腰處的直徑為63 μ m，光纖錐兩端的軸向偏移量從上至下(圖(a)、(b)、 (。)、((1))分別為64“111、178“111、215“111和261“111，彎曲角度分別是3.9° ,10. 7°，14. 6°， 17. 8°。
權(quán)利要求
1.一種S形光纖單錐干涉儀的制備方法，其特征在于首先將去掉涂覆層的光纖放入光纖夾具固定，然后根據(jù)要制備的S形光纖單錐彎曲程度設(shè)定兩個光纖夾具的軸向偏移量為25 μ m 700 μ m，最后在速度為10 μ m/s 50 μ m/s條件下通過熔融加熱方式拉錐得到 S形光纖單錐干涉儀。
2.如權(quán)利要求1所述的一種S形光纖單錐干涉儀的制備方法，其特征在于光纖夾具的軸向偏移為水平方向的軸向偏移。
3.如權(quán)利要求1所述的一種S形光纖單錐干涉儀的制備方法，其特征在于光纖夾具的軸向偏移為垂直方向的軸向偏移。
4.如權(quán)利要求1所述的一種S形光纖單錐干涉儀的制備方法，其特征在于光纖夾具的軸向偏移為水平方向和垂直方面的軸向偏移。
5.如權(quán)利要求1所述的一種S形光纖單錐干涉儀的制備方法，其特征在于光纖是純石英光纖、摻雜石英光纖、氟化物玻璃光纖或光子晶體光纖。
6.如權(quán)利要求1所述的一種S形光纖單錐干涉儀的制備方法，其特征在于光纖是單模光纖或多模光纖。
7.如權(quán)利要求1所述的一種S形光纖單錐干涉儀的制備方法，其特征在于熔融加熱方式是電弧放電加熱、火焰加熱或激光加熱。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖干涉儀傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種兩側(cè)拉力非同軸光纖熔融拉錐制備S形光纖單錐干涉儀的方法。首先將去掉涂覆層的光纖放入夾具固定，然后根據(jù)要制備的S形光纖單錐彎曲程度設(shè)定拉錐時光纖兩端夾具的軸向偏移量，最后通過控制拉錐溫度及速度得到設(shè)計的S形單錐結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法制備的S形光纖單錐可獨立形成光纖馬赫-曾德爾(MZ)干涉儀結(jié)構(gòu)，比現(xiàn)行公開的利用兩個或三個光纖錐制備光纖MZ干涉儀更簡單、緊湊，對環(huán)境折射率和軸向應(yīng)力傳感具有更高的響應(yīng)靈敏度。
文檔編號G02B6/255GK102323643SQ20111022638
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者于永森, 孫洪波, 楊睿, 薛洋 申請人:吉林大學(xué)