本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，特別是涉及一種基于纖芯折射率調(diào)制線的多模干涉儀及其制備方法。

背景技術(shù)：

全光纖多模干涉儀傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、抗電磁干擾、耐化學(xué)腐蝕、靈敏度高、等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為國(guó)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(cè)、火災(zāi)預(yù)警、生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著多模干涉儀應(yīng)用領(lǐng)域的日漸擴(kuò)展，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)多模干涉儀傳感器的各種制作方法也進(jìn)行了相應(yīng)的各種研究。目前，全光纖多模干涉儀的制作方法主要有：

(1)基于普通單模光纖與其它各種不同種類(lèi)的特種光纖熔接，如多模光纖、光子晶體光纖、空心光纖、細(xì)芯光纖等。然而此方法需要將各分立的光纖熔接通過(guò)熔接手段拼接起來(lái)，但是按照上述方法制作的多模干涉儀，熔接位置容易斷裂以及手動(dòng)操作出現(xiàn)的可重復(fù)性差等問(wèn)題，并且上述的制作方式中涉及的都是特種光纖，這種焊接方式所造成的斷裂造成制備中的特種光纖的浪費(fèi)，無(wú)形中增加了器件的制造成本。

(2)光纖拉錐，通過(guò)拉錐的方法將光纖的某一段或多段的直徑變小，從而是光在通過(guò)錐區(qū)時(shí)產(chǎn)生模式失配。拉錐工藝避免了元件組裝拼接過(guò)程，然而錐區(qū)部分十分脆弱，魯棒性差，易受外界擾動(dòng)和使用壽命短，并且是利用的倏逝場(chǎng)的效應(yīng)，容易發(fā)生光能量的泄露并且在傳感器的應(yīng)用中極易受到其它噪聲類(lèi)型的干擾。

近年來(lái)，隨著激光加工技術(shù)的不斷成熟，基于激光加工的光纖結(jié)構(gòu)得到了迅速的發(fā)展，極大地推動(dòng)了各種新型光纖結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及制備的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于纖芯負(fù)折射率調(diào)制線的多模干涉儀及其制備方法，上述多模干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性強(qiáng)、抗惡劣環(huán)境干擾、加工周期短的特點(diǎn)，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn)，而且實(shí)現(xiàn)了更高的靈敏度，在環(huán)境檢測(cè)、生化傳感等方面具有極大的應(yīng)用前景。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供一種基于纖芯負(fù)折射率調(diào)制線的多模干涉儀，其特征在于，所述多模干涉儀包括光纖，在所述光纖上具有基于纖芯的負(fù)調(diào)制波線，所述負(fù)調(diào)制線由激光器沿著所述光纖軸向方向沿線輻射形成，所述纖芯在所述激光器的輻射下發(fā)生折射率的改變。

進(jìn)一步地，所述光纖為單模光纖。

進(jìn)一步地，所述激光器為飛秒激光器。

進(jìn)一步地，所述飛秒激光器的重復(fù)頻率為200千赫茲(khz)，脈沖寬度為350飛秒(fs)。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于纖芯折射率調(diào)制線的多模干涉儀的制作方法，其特征在于，包括如下步驟：

將所述光纖置于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，使所述光纖的軸向垂直于激光光束的入射方向；

調(diào)整所述光纖的位置，使激光光束聚集于所述光纖的中心，沿所述光纖的軸向移動(dòng)所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)使所述光纖沿著所述軸向以一定速率平移運(yùn)動(dòng)；

控制所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的駐停后打開(kāi)所述激光光束曝光在所述光纖的纖芯，以上述方式操作多次，形成所述折射率調(diào)制線。

進(jìn)一步地，所述激光光束曝光是通過(guò)控制所述激光光束的脈沖能量和焦點(diǎn)位置。

進(jìn)一步地，所述激光器為飛秒激光器。

進(jìn)一步地，所述光纖為單模光纖。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1)通過(guò)控制激光的脈沖能量和焦點(diǎn)位置，只在設(shè)定部分纖芯區(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，提高了干涉儀抗外界惡劣環(huán)境干擾的能力和魯棒性；并且采用激光加工技術(shù)的重復(fù)性好，精度高，成本低和可控性好；

2)加工周期短，實(shí)驗(yàn)所用時(shí)間一般<1分鐘，極大地提高了器件的制作效率；

3)按照本發(fā)明的方法所制備出的多模干涉儀，不受光纖特性的影響，可以在各種類(lèi)型的光纖上使用；

4)本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，靈活性高；并且本發(fā)明的多模干涉儀結(jié)構(gòu)在折射率的性能上，與現(xiàn)有技術(shù)中的去除絕大部分光纖包層或者拉錐處理后的光纖多模干涉儀相比，靈敏度具有顯著的提高，靈敏度提高了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。

附圖說(shuō)明

圖1為按照本發(fā)明制作的一種新型的基于光纖纖芯折射率調(diào)制線的多模干涉儀的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為按照本發(fā)明利用激光器制作的基于光纖纖芯折射率多模干涉儀的示意圖；

圖3為按照本發(fā)明的制備方法所制備出的2.5mm的折射率調(diào)制線的多模干涉儀的光譜透射圖；

圖4為按照本發(fā)明的制備方法所制備出的5mm的折射率調(diào)制線的多模干涉儀的光譜透射圖；

圖5為按照本發(fā)明的制備方法所制備出的10mm的折射率調(diào)制的多模線干涉儀的光譜透射圖；

圖6為按照本發(fā)明的制備方法所制備出的線長(zhǎng)5mm的干涉儀光譜隨外界折射率的變化情況。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

11—光纖；12—負(fù)折射率調(diào)制線；21—三維位移平臺(tái)；22—激光光束；23-激光器；24—顯微物鏡。

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(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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)明多模干涉儀的加工具體如下：

如圖1所示，一種新型的基于光纖纖芯折射率調(diào)制線的多模干涉儀，其特點(diǎn)在于，包括一根單模光纖11、和在其纖芯的負(fù)調(diào)制波線12，纖芯的調(diào)制波線12是通過(guò)激光光束22沿光纖纖芯軸向改變纖芯折射率形成，負(fù)調(diào)制波線12的長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際的需要而定。

本發(fā)明多模干涉儀的制備方法：

如圖2所示，一種新型的基于光纖纖芯折射率調(diào)制線的多模干涉儀的制作方法，其操作方法如下：

1)將光纖置于三維移動(dòng)平臺(tái)21上，使光纖的軸向垂直于激光光束22的入射方向；通過(guò)顯微鏡觀察并調(diào)整所述光纖的位置，使激光器23輸出的激光光束通過(guò)顯微物鏡24聚集于所述光纖的中心；

光束離光纖的距離是跟聚焦透鏡顯微物鏡24的工作距離有關(guān)。實(shí)驗(yàn)中，將聚焦點(diǎn)處于大約光纖橫截面的正中央即可；在具體實(shí)施的制作方法中，其中一種實(shí)施例為單脈沖能量為3uj/pulse，聚焦透鏡參數(shù)為：40xna＝0.65

其中，在上述制備方法中，飛秒激光器引起的折射率變化機(jī)制和具體的情況很復(fù)雜，原理是引起折射率正負(fù)為主的調(diào)制。

2)沿著所述光纖的軸向移動(dòng)光纖，并曝光使得激光光束22在光纖的內(nèi)部刻寫(xiě)多模干涉儀，不同的線長(zhǎng)對(duì)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(zhǎng)度的線長(zhǎng)，只需要提高激光光束的曝光線長(zhǎng)即可；

在本實(shí)施例中，所述的折射率調(diào)制線，是由于激光的作用使得折射率改變而形成；所述的飛秒脈沖激光波長(zhǎng)為520nm，重復(fù)頻率：200khz脈沖寬度：350fs；光纖為普通單模光纖，纖芯直徑約8.3um。

圖3、4、5中分別為按照本發(fā)明的制備方法所制備出的2.5mm、5mm、10mm的折射率調(diào)制線的多模干涉儀的光譜透射圖。

本發(fā)明多模干涉儀的折射率傳感實(shí)驗(yàn)：

圖6是5mm長(zhǎng)的折射率調(diào)制線的多模干涉儀在不同折射率的溶液中光譜的情況，從圖3圖4圖5中可以看出，隨著折射率增加，干涉條紋波長(zhǎng)明顯地向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表明，在折射率為1.4513時(shí)，靈敏度可以達(dá)到19556nm/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)道的未經(jīng)包層變細(xì)處理的光纖干涉儀的靈敏度至少提高了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。能更為有效地激發(fā)高階包層模，大多數(shù)的結(jié)構(gòu)中，光纖是有包層的，由于纖芯折射率>包層折射率，這對(duì)于激發(fā)高階模并應(yīng)用于ri傳感是不利的。按照本發(fā)明的方法所制備出的結(jié)構(gòu)，雖然本身包層還是存在，但是由于纖芯受到折射率調(diào)制，其折射率已經(jīng)是小于外包層的，光具有趨向于高折射率介質(zhì)傳輸?shù)奶匦?，因此，包層中將?huì)被大量激發(fā)出不同的包層模。

在上述的實(shí)施例當(dāng)中，僅僅列舉了為單模光纖的實(shí)施例，實(shí)際在加工過(guò)程中，本發(fā)明的方法不僅僅只適用于單模光纖，還適用于各類(lèi)其他光纖，例如多模光纖、各類(lèi)摻雜光纖，熊貓光纖，雙包層光纖等，另外，本發(fā)明的折射率調(diào)制程度通過(guò)對(duì)激光的控制也可以實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)整，在上述實(shí)施例中使用的激光參數(shù)并不為唯一限定。

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)。