專利名稱：內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器及制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及到一種光纖Fabry-Perot (法布里-珀羅)干涉傳感器及其制作方法。
背景技術：
近年來，光纖Fabry-Perot (法布里-珀羅)干涉傳感器(光纖琺-珀干涉傳感器) 以其微型化、結構簡單、靈敏度高、耐高溫、耐高壓、防電磁干擾等優點在生物、醫學、工業、 航空航天、軍事等領域應用于壓力、應變、位移、速度、加速度、超聲等參數的傳感，已受到國內外學者和企業的廣泛關注。光纖Fabry-Perot干涉傳感器包含本征型光纖Fabry-Perot 干涉傳感器和非本征型光纖Fabry-Perot干涉傳感器，非本征型光纖Fabry-Perot干涉傳感器以其加工方法簡單、實用性強、靈敏度高等優點在生產、生活和科研中應用較多。傳統的非本征型光纖Fabry-Perot干涉傳感器是將兩段端面切平的光纖插入石英毛細管內形成中間有一段空氣的i^abry-Perot干涉腔，在石英毛細管與光纖的接觸部分采用環氧樹脂黏合劑或熔接方式固定，但此類Fabry-Perot干涉傳感器存在機械穩定性差、強度低、尺寸偏大等缺點。另外，有通過將空芯光纖熔接于兩段單模光纖之間而制成的非本征型光纖Fabry-Perot干涉傳感器(US 5528367A，1996. 6. 18)，由于空芯光纖較難采購，同時該類型傳感器的F-P腔腔長典型值在200 μ m內，在長度上具有局限性；還有通過將空芯光子晶體光纖熔接于兩段單模光纖之間而制成的非本征型光纖Fabry-Perot干涉傳感器(CN 100516782C,2009. 7. 22)，由于空芯光子晶體光纖價格昂貴，同時需要鍍膜以提高其干涉條紋對比度，使得該類型傳感器成本造價昂貴。所以，如何制作出低成本、微型化、機械穩定好、易實用化、便于大批量生產的光纖 Fabry-Perot干涉傳感器已成為企業和高校所面臨的難題。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具有低成本、微型化、機械穩定性好、易實用化、便于大批量生產等優點的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器及其制作方法。為了達到上述目的，本發明提供了一種內嵌石英毛細管的全石英光纖 Fabry-Perot干涉傳感器，該傳感器包含單模光纖、石英毛細管和反射光纖。所述石英毛細管的兩端分別與所述單模光纖的一端和所述反射光纖的一端通過熔接的方式連接，石英毛細管的中空部分作為內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot 干涉傳感器的干涉腔，保護膜涂覆于所述單模光纖、石英毛細管和反射光纖外面。本發明采用石英毛細管，無需鍍膜，降低了制作光纖Fabry-Perot干涉傳感器的成本，同時可實現光纖Fabry-Perot干涉傳感器反射條紋的高對比度。另外，所述石英毛細管的內徑d。^ 100 μ m,如果內徑d。過大，則會造成石英毛細管壁的厚度太薄，這樣傳感器的機械強度將會降低。所述石英毛細管的外徑D。(所述單模光纖的外徑Df，不至于使得傳感器的體積過大，同時在進行石英毛細管與單模光纖或反射光纖熔接時使得熔接操作更加容易。所述反射光纖采用單模光纖或多模光纖。一種內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器的制作方法，其包含以下步驟
1)使用光纖切割刀分別將單模光纖、石英毛細管和反射光纖的一端切平；
2)使用光纖熔接機將所述單模光纖端面切平的一端熔接到所述石英毛細管2端面切平的一端；
3)根據需要制作光纖Fabry-Perot干涉腔的長度，將多余的所述石英毛細管切除；
4)將帶有所述單模光纖的所述石英毛細管切平的另一端熔接到所述反射光纖切平的
一端；
進一步，5)在所述單模光纖、所述石英毛細管和所述反射光纖外面涂覆一層保護膜。進一步，在傳感器加工到第4)步時，在反射光纖向石英毛細管切平的一端移動的過程中，利用光譜儀可以實時觀測到光纖Fabry-Perot干涉腔反射譜的變化，對制作的傳感器性能的好壞具有指導意義。當觀測到的光纖Fabry-Perot干涉腔反射譜的對比度小于 2 dB時，則停止后續熔接操作，重新切割光纖端面和/或者重新對準光纖后熔接。本發明的有益技術效果是本發明公開的內嵌石英毛細管的全石英光纖 Fabry-Perot干涉傳感器成本低、微型化程度高、對比度高、結構穩定性好、加工工藝簡單， 便于大批量生產，易實用化，在光纖傳感領域具有潛在的實用價值和廣闊的市場。
圖1為石英毛細管的外徑D。等于單模光纖的裸光纖的外徑Df時的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器(外層無保護膜)的結構示意圖2為石英毛細管的外徑D。等于單模光纖的裸光纖的外徑Df時的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器(外層帶有保護膜)的結構示意圖3為石英毛細管的外徑D。小于單模光纖的裸光纖的外徑Df時的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器(外層無保護膜)的結構示意圖4為石英毛細管的外徑D。小于單模光纖的裸光纖的外徑Df時的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器(外層帶有保護膜)的結構示意圖5為內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器的反射譜； 圖6為內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器的波長漂移量與溫度的關系圖。圖中，1是單模光纖，2是石英毛細管，3是反射光纖，4是干涉腔，5是單模光纖1與石英毛細管2的熔接面，6是單模光纖1與干涉腔4的交界面，7是干涉腔4與反射光纖3 的交界面，8是石英毛細管2與反射光纖3的熔接面，9是輸入/輸出端，10是保護膜。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
如圖1所示，本發明的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器包含單模光纖丨、石英毛細管2和反射光纖3。單模光纖1的裸光纖外徑為Df ；石英毛細管2的外徑為D。，與單模光纖1的裸光纖外徑Df相等，內孔直徑為d。。反射光纖3采用單模光纖或多模光纖。石英毛細管2的兩端分別與所述單模光纖1的一端和反射光纖3的一端通過熔接的方式連接，石英毛細管2的中空部分作為內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot 干涉傳感器的干涉腔4。該傳感器的制作方法如下
1)使用光纖切割刀分別將單模光纖1、石英毛細管2和反射光纖3的一端切平；要求切平端面的平面度不能太低，而且切平的端面分別垂直于各自軸向。如果端面平面度過低或端面與各自軸向的夾角偏離90°太大，將會降低反射光的強度及干涉條紋的對比度。2)使用光纖熔接機將所述單模光纖1端面切平的一端熔接到所述石英毛細管2 端面切平的一端。熔接主要包含電弧功率(Arc power)、電弧時間(Arc duration)和推進距離(Push distance)三個參數的設置，是傳感器加工中重要的一步，影響熔接面5和熔接面8處的強度，同時也影響交界面6和交界面7的反射率大小。3)根據需要制作光纖Fabry-Perot干涉腔的長度，將多余的所述石英毛細管2切除。4)將帶有所述單模光纖1的所述石英毛細管2切平的另一端熔接到所述反射光纖3切平的一端。該步驟熔接的重要性同步驟2。在傳感器制作過程中，利用光譜儀實時觀測光纖Fabry-Perot干涉腔反射譜的變化，當反射光纖到石英毛細管切平的一端達到所設置的距離時，如果此時光纖Fabry-Perot 干涉腔的反射譜過低(例如小于2 dB)，則需要對反射光纖重新切割和/或對單模光纖與石英毛細管重新對準后再熔接。如圖2所示，該圖為石英毛細管的外徑D。等于單模光纖的裸光纖的外徑Df的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器(外層帶有保護膜)的結構示意圖。在圖1中傳感器的制作方法第4步后再加一步5)在單模光纖1、石英毛細管2和反射光纖3 外層涂覆一層保護膜10，以提高傳感器機械強度。如圖3所示，該圖為石英毛細管2的外徑D。小于單模光纖1的裸光纖的外徑Df的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器的結構示意圖。如圖4所示，該圖為石英毛細管的外徑D。小于單模光纖的裸光纖的外徑 的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器外層帶有保護膜時的結構示意圖。如圖5所示，該圖為實驗測得的一內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器(干涉腔長度為412. 23 μ m)的反射譜，從圖中可見其干涉條紋的對比度可達15. 7 dB，具有較高的對比度。如圖6所示，該圖為實驗測得的一內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器(干涉腔長度為519.沈3 μ m)的波長漂移量與溫度的關系圖，在25 ° C 215 ° C的溫度變化范圍內，波長總漂移量為161 pm，對溫度的靈敏度為0.8577 pm / ° C，擬合系數為0. 9976，可知本發明的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器對溫度極不敏感。在對除溫度外其他物理量進行傳感時，本發明的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器具有較好的抗溫度干擾特性。
本發明的工作原理光從輸入/輸出端9經過單模光纖1到達交界面6形成一部分反射光，另一部分透射光經過干涉腔4到達交界面7形成一部分包含石英毛細管2長度的傳感反射光，該傳感反射光繼續經過所述干涉腔4、所述交界面6到達所述單模光纖1，并與從所述交界面6形成的一部分反射光產生干涉，最后從所述輸入/輸出端9輸出。當外界的物理參量調制所述石英毛細管2的長度時，通過解調所述輸入/輸出端9輸出的干涉光信號實現外界參量的傳感。本發明申請人結合說明書附圖對本發明的實施例做了詳細的說明與描述，但是本領域技術人員應該理解，以上實施例僅為本發明的優選實施方案，詳盡的說明只是為了幫助讀者更好地理解本發明精神，而并非對本發明保護范圍的限制，相反，任何基于本申請發明精神所作的任何改進或修飾都應當落在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器，其特征在于，該傳感器包含單模光纖(1)、石英毛細管( 和反射光纖(3)；所述石英毛細管的兩端分別與所述單模光纖(1)的一端和所述反射光纖(3)的一端通過熔接的方式連接，石英毛細管的中空部分作為內嵌石英毛細管的全石英光纖 Fabry-Perot干涉傳感器的干涉腔(4)；所述石英毛細管的內徑dc彡100 μπι。
2.根據權利要求1所述的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器，其特征在于所述石英毛細管的外徑D。^所述單模光纖(1)的外徑Df。
3.根據權利要求1或2所述的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器，其特征在于所述反射光纖C3)為單模光纖或多模光纖。
4.根據權利要求1或2所述的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器，其特征在于所述單模光纖(1)、石英毛細管(2)和反射光纖(3)外面涂覆有保護膜 (10)。
5.一種內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器的制作方法，其特征在于，包含以下步驟1)分別將單模光纖(1)、石英毛細管( 和反射光纖(3)的一端切平；2)將所述單模光纖(1)端面切平的一端熔接到所述石英毛細管( 端面切平的一端；3)根據需要制作Fabry-Perot干涉腔的長度，將多余的所述石英毛細管(2)切除；4)將帶有所述單模光纖(1)的所述石英毛細管( 切平的另一端熔接到所述反射光纖⑶切平的一端。
6.根據權利要求5所述的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器的制作方法，其特征在于在制作過程中采用光譜儀實時觀測光纖Fabry-Perot干涉腔反射譜的變化，當觀測到的光纖Fabry-Perot干涉腔反射譜的對比度小于2 dB時，則停止后續熔接操作，重新切割光纖端面和/或者重新對準光纖后熔接。
7.根據權利要求5所述的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器的制作方法，其特征在于在所述單模光纖(1)、所述石英毛細管( 和所述反射光纖C3)外面涂覆一層保護膜(10)。
全文摘要
本發明公開了一種內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot(法布里-珀羅)干涉傳感器，該傳感器包括單模光纖、石英毛細管、反射光纖和保護膜，其中反射光纖為單模光纖或多模光纖，石英毛細管的兩端分別與單模光纖的一端和反射光纖的一端通過熔接的方式連接，石英毛細管的中空部分作為干涉傳感器的干涉腔。本發明采用石英毛細管，無需鍍膜，降低了制作光纖Fabry-Perot干涉傳感器的成本，同時可實現光纖Fabry-Perot干涉傳感器反射條紋的高對比度。本發明同時公開了該傳感器的制作方法。本發明公開的內嵌石英毛細管的全石英光纖Fabry-Perot干涉傳感器具有成本低、加工方法簡單、微型化程度高、機械穩定性好、便于大批量生產的特點，易實用化，在光纖傳感領域具有潛在的實用價值和廣闊的市場。
文檔編號G01D5/353GK102374874SQ20111027979
公開日2012年3月14日 申請日期2011年9月20日 優先權日2011年9月20日
發明者王代華, 王帥杰 申請人:重慶大學