本發(fā)明屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在線調(diào)節(jié)光纖馬赫-曾德干涉儀獲得高質(zhì)量干涉光譜的方法。

背景技術(shù)：

光纖馬赫-曾德干涉儀由于其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于各種參數(shù)的測(cè)量，包括溫度、折射率、應(yīng)力等。光纖馬赫-曾德干涉儀通常在光纖中串聯(lián)兩個(gè)特殊結(jié)構(gòu)，例如拉錐結(jié)構(gòu)、凸錐結(jié)構(gòu)、錯(cuò)位結(jié)構(gòu)、花生結(jié)構(gòu)、光子晶體光纖塌陷區(qū)等，其中一個(gè)結(jié)構(gòu)作為光束分光器，將纖芯中傳輸?shù)墓獠糠竹詈系桨鼘又袀鬏?，另外一個(gè)結(jié)構(gòu)作為光束合光器，將包層中的光重新耦合到纖芯中，從而使纖芯中的光和包層中的光在合光器處發(fā)生干涉。目前，優(yōu)化上述光纖干涉儀的光譜質(zhì)量需要制作多個(gè)干涉儀結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服目前優(yōu)化光纖馬赫-曾德干涉儀的光譜質(zhì)量需要制作多個(gè)干涉儀結(jié)構(gòu)，引起操作不便，光纖材料尤其光子晶體光纖等特種光纖材料浪費(fèi)，花費(fèi)較高，包含多次切割易造成操作誤差等問(wèn)題，提出一種操作便利、可通過(guò)單個(gè)光纖馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的光譜質(zhì)量在線調(diào)整方法。通過(guò)對(duì)光纖馬赫-曾德干涉儀制作完成的臺(tái)階形錐施加多次微錯(cuò)位與弱放電，同時(shí)在光譜儀上觀察干涉儀的輸出干涉譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)階形錐結(jié)構(gòu)參數(shù)的在線掃描與對(duì)干涉光譜的在線調(diào)整，加速基于臺(tái)階形錐光纖馬赫-曾德干涉儀光譜質(zhì)量?jī)?yōu)化的進(jìn)程。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案為：一種在線調(diào)節(jié)光纖馬赫-曾德干涉儀獲得高質(zhì)量干涉光譜的方法，包括如下步驟：

步驟1，制備光纖馬赫-曾德干涉儀；

1.1將一條單模光纖切割成三段，位置順序不變，在熔接機(jī)中分別對(duì)兩組光纖的切割端面施加放電強(qiáng)度為100～150unit，放電時(shí)間為800～1200ms的強(qiáng)電弧放電，制得光纖半錐；

1.2通過(guò)調(diào)節(jié)熔接機(jī)的馬達(dá)徑向移動(dòng)，對(duì)一組光纖半錐在徑向進(jìn)行錯(cuò)位量為4～7μm的錯(cuò)位，之后對(duì)徑向錯(cuò)位放置的兩個(gè)光纖半錐進(jìn)行熔接，形成第一臺(tái)階形錐；

1.3對(duì)另一組光纖半錐在徑向進(jìn)行與步驟1.2相同程度的錯(cuò)位后熔接，形成第二臺(tái)階形錐；得到具有對(duì)稱臺(tái)階形錐的光纖馬赫-曾德干涉儀；

步驟2，在線調(diào)整，獲得最優(yōu)干涉光譜；

2.1將步驟1.3制備得到的具有對(duì)稱臺(tái)階形錐的光纖馬赫-曾德干涉儀的一端連接寬譜光源，另一端連接光譜分析儀；

2.2對(duì)第二臺(tái)階形錐進(jìn)行錯(cuò)位量為4～7μm的微錯(cuò)位與放電強(qiáng)度為100～150unit，放電時(shí)間為150～200ms的弱放電，光纖馬赫-曾德干涉儀具有非對(duì)稱臺(tái)階形錐；

2.3通過(guò)光譜分析儀記錄具有非對(duì)稱臺(tái)階形錐的光纖馬赫-曾德干涉儀的干涉光譜，并讀取其光譜消光比及插入損耗；

2.4重復(fù)步驟2.2和2.3，通過(guò)比較光譜消光比及插入損耗的參數(shù)性能，直至獲得最優(yōu)干涉光譜。

進(jìn)一步地，上述步驟1.2和步驟1.3的熔接程序參數(shù)為：預(yù)熔時(shí)間為140～180ms，放電強(qiáng)度90～110unit，放電時(shí)間700～900ms，端面間距離0～5μm，z推進(jìn)距離15～20μm。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提出的一種在線調(diào)節(jié)光纖馬赫-曾德干涉儀獲得高質(zhì)量干涉光譜的方法，此方法通過(guò)只制作一個(gè)光纖干涉儀可節(jié)省優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)間，降低光纖消耗，尤其光子晶體光纖等特種光纖，進(jìn)而節(jié)省費(fèi)用，此外還可以避免制作多個(gè)光纖結(jié)構(gòu)過(guò)程中人為因素的影響，例如避免光纖端面切割不平整度等的影響，從而改善并加速了光纖馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)與光譜優(yōu)化的進(jìn)程。此外，此方法可獲得插入損耗低且消光比高的高質(zhì)量光譜。

附圖說(shuō)明

圖1為具有非對(duì)稱臺(tái)階形錐的光纖馬赫-曾德干涉儀的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2為臺(tái)階形光纖錐的制作過(guò)程示意圖；其中，(a)為對(duì)切割好的光纖端面施加強(qiáng)電弧放電示意圖；(b)光纖半錐結(jié)構(gòu)示意圖；(c)為對(duì)兩個(gè)半錐在徑向施加6μm錯(cuò)位后放電熔接示意圖；(d)為制得初始臺(tái)階形錐結(jié)構(gòu)示意圖；(e)為對(duì)第二臺(tái)階形錐施加5μm微位移與弱放電示意圖；(f)為施加微位移與弱放電后所得第二臺(tái)階形錐結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為臺(tái)階形光纖錐的制作過(guò)程實(shí)物圖；其中，(a)為對(duì)切割好的光纖端面施加強(qiáng)電弧放電熔接機(jī)中實(shí)物圖；(b)光纖半錐結(jié)構(gòu)熔接機(jī)中實(shí)物圖；(c)為對(duì)兩個(gè)半錐在徑向施加6μm錯(cuò)位后放電熔接熔接機(jī)中實(shí)物圖；(d)為制得臺(tái)階形錐結(jié)構(gòu)熔接機(jī)中實(shí)物圖。

圖4為對(duì)第二臺(tái)階形錐在y方向施加不同次數(shù)的5μm微錯(cuò)位與放電強(qiáng)度為100unit，放電時(shí)間為200ms的弱放電后所獲得的干涉光譜圖。

圖5為圖4中干涉譜的消光比及插入損耗與微錯(cuò)位和弱放電次數(shù)的關(guān)系。

圖6為對(duì)第二臺(tái)階形錐在x方向與y方向交替施加5μm微錯(cuò)位與放電強(qiáng)度為100unit，放電時(shí)間為170ms的弱放電后所獲得的干涉光譜圖。

圖7為圖6中干涉譜的消光比及插入損耗與微錯(cuò)位和弱放電次數(shù)的關(guān)系。

圖8為光纖馬赫-曾德干涉儀折射率傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。

圖9為所得優(yōu)化的光纖馬赫-曾德干涉儀在不同環(huán)境折射率下的干涉光譜圖。

圖10為所得優(yōu)化的光纖馬赫-曾德干涉儀干涉谷波長(zhǎng)與折射率的線性擬合關(guān)系。

圖中：1第一臺(tái)階形錐；2第二臺(tái)階形錐；3熔接機(jī)的左側(cè)馬達(dá)；

4熔接機(jī)的右側(cè)馬達(dá)；5熔接機(jī)的放電電極；6寬譜光源；7輸入單模光纖；

8光纖馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)；9液體池；10輸出單模光纖；11光譜分析儀。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、制作過(guò)程、及性能優(yōu)化過(guò)程作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

一種在線調(diào)節(jié)光纖馬赫-曾德干涉儀獲得高質(zhì)量干涉光譜的方法，具有非對(duì)稱臺(tái)階形錐的光纖馬赫-曾德干涉儀的結(jié)構(gòu)及干涉原理如圖1所示。在第二臺(tái)階形錐處，入射光纖纖芯中的光一部分被激發(fā)到中間段光纖的包層中，另一部分光在纖芯中向前傳播，在第一臺(tái)階形錐處，中間段光纖包層中的光被耦合回到纖芯中傳播，此部分包層中的光與纖芯中的光相遇并形成干涉。第二臺(tái)階形錐與第一臺(tái)階形錐分別起到光束分離和光束耦合的作用。當(dāng)?shù)诙_(tái)階形錐的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其光束分離能力將發(fā)生變化，引起纖芯中光與包層中光能量比例的變化，故調(diào)整第二臺(tái)階形錐的尺寸可引起干涉光譜消光比與插入損耗等參數(shù)的改變。

一種在線調(diào)節(jié)光纖馬赫-曾德干涉儀獲得高質(zhì)量干涉光譜的方法，包括如下步驟：

步驟1，制備光纖馬赫-曾德干涉儀；

1.1將一條單模光纖切割成三段，位置順序不變，在熔接機(jī)中分別對(duì)兩組光纖的切割端面在熔接機(jī)中施加放電強(qiáng)度為100unit，放電時(shí)間為1000ms的強(qiáng)電弧放電，其示意圖及實(shí)物圖如圖2(a)和圖3(a)所示。通過(guò)如上操作，可制作光纖半錐，半錐結(jié)構(gòu)如圖2(b)和圖3(b)所示。所使用熔接機(jī)為古河熔接機(jī)，型號(hào)為s178。

1.2通過(guò)調(diào)節(jié)熔接機(jī)的馬達(dá)徑向移動(dòng)，對(duì)一組光纖半錐在徑向進(jìn)行6μm錯(cuò)位，之后對(duì)徑向錯(cuò)位放置的兩個(gè)光纖半錐進(jìn)行熔接，操作過(guò)程如圖2(c)和圖3(c)所示，形成第一臺(tái)階形錐，其結(jié)構(gòu)如圖2(d)和圖3(d)，熔接的方式為手動(dòng)熔接，熔接程序參數(shù)為：預(yù)熔時(shí)間為160ms，放電強(qiáng)度100unit，放電時(shí)間750ms，端面間距離0μm，z推進(jìn)距離15μm。

1.3對(duì)另一組光纖半錐在徑向進(jìn)行與步驟1.2相同程度的錯(cuò)位后熔接，形成第二臺(tái)階形錐；得到具有對(duì)稱臺(tái)階形錐的光纖馬赫-曾德干涉儀；

步驟2，在線調(diào)整，獲得最優(yōu)干涉光譜；

2.1將步驟1.3制備得到的具有對(duì)稱臺(tái)階形錐的光纖馬赫-曾德干涉儀的一端連接寬譜光源，另一端連接光譜分析儀；

2.2對(duì)第二臺(tái)階形錐進(jìn)行錯(cuò)位量為5μm的微小錯(cuò)位與放電強(qiáng)度為100unit，放電時(shí)間為200ms的弱放電，操作示意如圖2(e)所示，所得具有大錯(cuò)位量的第二臺(tái)階形錐示意圖如圖2(f)，光纖馬赫-曾德干涉儀具有非對(duì)稱臺(tái)階形錐；

2.3通過(guò)光譜分析儀記錄具有非對(duì)稱臺(tái)階形錐的光纖馬赫-曾德干涉儀的干涉光譜，并讀取其光譜消光比及插入損耗；

2.4重復(fù)步驟2.2和2.3，通過(guò)比較光譜消光比及插入損耗的參數(shù)性能，直至獲得最優(yōu)干涉光譜。

圖4為采用上述制作步驟，對(duì)第二臺(tái)階形錐在y方向施加不同次數(shù)的5μm微錯(cuò)位與強(qiáng)度為100unit時(shí)間為200ms弱放電后所獲得的干涉光譜圖。圖5為圖4中干涉譜的消光比及插入損耗與微錯(cuò)位和弱放電次數(shù)的關(guān)系，可以看出隨著微錯(cuò)位與弱放電次數(shù)的增加，插入損耗增加，同一干涉光譜中最大消光比先增加后減小。當(dāng)微錯(cuò)位與弱放電次數(shù)為6次時(shí)，干涉光譜的最大消光比取最高，為23.99db，此時(shí)插入損耗為-19.52db。

實(shí)施例2

為獲得具有較高消光比干涉光譜同時(shí)降低干涉儀的插入損耗，提出一種在線調(diào)節(jié)光纖馬赫-曾德干涉儀獲得高質(zhì)量干涉光譜的方法，包括如下步驟：

步驟1，制備光纖馬赫-曾德干涉儀，同實(shí)施例1；

步驟2，在線調(diào)整，獲得最優(yōu)干涉光譜；

2.1將步驟1.3制備得到的具有對(duì)稱臺(tái)階形錐的光纖馬赫-曾德干涉儀的一端連接寬譜光源，另一端連接光譜分析儀；

2.2對(duì)第二臺(tái)階形錐在x方向與y方向交替進(jìn)行錯(cuò)位量為5μm的微錯(cuò)位，并施加放電強(qiáng)度為100unit，放電時(shí)間為170ms的弱放電，光纖馬赫-曾德干涉儀具有非對(duì)稱臺(tái)階形錐；

2.3通過(guò)光譜分析儀記錄具有非對(duì)稱臺(tái)階形錐的光纖馬赫-曾德干涉儀的干涉光譜，并讀取其光譜消光比及插入損耗；

2.4重復(fù)步驟2.2和2.3，通過(guò)比較光譜消光比及插入損耗的參數(shù)性能，直至獲得最優(yōu)干涉光譜。

圖6為第二臺(tái)階形錐在x方向與y方向交替施加不同次數(shù)的5μm微錯(cuò)位與強(qiáng)度為100unit時(shí)間為170ms弱放電后所獲得的干涉光譜圖。圖7為圖6中干涉譜的消光比及插入損耗與微錯(cuò)位和弱放電次數(shù)的關(guān)系。結(jié)合圖6與圖7可知，隨著微錯(cuò)位與弱放電次數(shù)的增加，插入損耗增加，同一干涉光譜中最大消光比先增加后減小。當(dāng)微錯(cuò)位與弱放電次數(shù)為6次時(shí)，干涉光譜的最大消光比取最高，為25.69db，此時(shí)插入損耗為-11.67db。在實(shí)施例1中，當(dāng)微錯(cuò)位與弱放電次數(shù)為6次時(shí)，干涉光譜的最大消光比取最高，為23.99db，此時(shí)插入損耗為-19.52db。此改進(jìn)方法與實(shí)施例1中初始方法所獲得光譜質(zhì)量的對(duì)比如表1所示，通過(guò)對(duì)比可知，此改進(jìn)方法在獲得相似消光比時(shí)，引起的插入損耗明顯降低。

表1使用改進(jìn)的優(yōu)化方法與初始優(yōu)化方法所獲得干涉光譜性能的對(duì)比表

對(duì)上述獲得優(yōu)化的光纖馬赫-曾德干涉儀進(jìn)行折射率測(cè)量實(shí)驗(yàn)，所采用折射率傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。

圖9為所得優(yōu)化的光纖馬赫-曾德干涉儀在不同環(huán)境折射率下的干涉光譜圖。如圖9所示，優(yōu)化的光纖馬赫-曾德干涉儀在水中(折射率為1.3333)具有高質(zhì)量光譜，其最大消光比高為18.64db，插入損耗低為-10.3db。當(dāng)折射率由1.3333增加到1.3673時(shí)，光譜最大消光比由18.64db增加到23.99db。隨著待測(cè)液體折射率的升高，干涉光譜向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。通過(guò)對(duì)干涉谷波長(zhǎng)與環(huán)境折射率的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，可獲得此干涉儀的折射率測(cè)量靈敏度，如圖10所示對(duì)于干涉谷a與干涉谷b，折射率測(cè)量靈敏度分別為-185.79nm/riu和-173.2nm/riu。

通過(guò)此方法優(yōu)化的干涉儀性能與其他單模光纖馬赫-曾德干涉儀性能對(duì)比如表2所示，表中l(wèi)為干涉長(zhǎng)度(cm)；d1和l1分別為拉錐結(jié)構(gòu)的錐腰直徑(μm)和錐區(qū)長(zhǎng)(μm)；d2為徑向錯(cuò)位量(μm)。此干涉儀的折射率靈敏度與雙錐干涉儀(文獻(xiàn)1.wang,q.,wei,w.q.,guo,m.j..optimizationofcascadedfibertaperedmach–zehnderinterferometerandrefractiveindexsensingtechnology,”sens.actuatorsb,chem.,2016,222,159-165.)具有相當(dāng)?shù)撵`敏度，但插入損耗比雙錐干涉儀小12.4db。纖芯錯(cuò)位干涉儀(文獻(xiàn)2.yaoq,mengh,wangw,etal.simultaneousmeasurementofrefractiveindexandtemperaturebasedonacore-offsetmach–zehnderinterferometercombinedwithafiberbragggrating[j].sensors&actuatorsaphysical,2014,209(1):73–77.)相比此干涉儀有更高消光比，然而，其插入損耗-35.8db比此干涉儀高25.5db，且折射率靈敏度13.67nm/riu不到此干涉儀的十分之一。通過(guò)表2可看出，此方法優(yōu)化的干涉儀相比于雙錐干涉儀、三錐串聯(lián)干涉儀(文獻(xiàn)3.taozhu,wud,dengm,etal.refractiveindexsensingbasedonmach-zehnderinterferometerformedbythreecascadedsingle-modefibertapers[j].appliedoptics,2011,50(11):1548.)、纖芯錯(cuò)位干涉儀、拉錐與纖芯錯(cuò)位結(jié)合干涉(文獻(xiàn)4.zhao,y.,li,x.g.,cai,l..ahighlysensitivemach–zehnderinterferometricrefractiveindexsensorbasedoncore-offsetsinglemodefiber[j]sens.actuatorsa,phys.,2015,223,119-124.)，具有干涉光譜質(zhì)量高，干涉長(zhǎng)度短，折射率測(cè)量靈敏度高等綜合優(yōu)勢(shì)。

表2改進(jìn)優(yōu)化方法所獲得的干涉儀性能與其他單模光纖馬赫-曾德干涉儀的性能對(duì)比表