光纖傳感器及其制作方法
【專利摘要】本發明提供一種光纖傳感器，所述光纖傳感器包括第一光纖部、第二光纖部和拉錐部，所述第一光纖部、所述第二光纖部和所述拉錐部為同一根微納光纖的不同部分；其中，所述拉錐部位于所述第一光纖部和所述第二光纖部之間，其包括微納光纖包層和形成在所述微納光纖包層內部的光纖微腔結構，所述光纖微腔結構沿所述拉錐部的延伸方向，且其兩端分別與所述第一光纖部的纖芯和所述第二光纖部的纖芯相對準；并且，所述拉錐部還包括至少一個微流體通道，所述微流體通道與所述光纖微腔結構相連通，并且延伸到所述微納光纖包層的外表面。本發明還提供一種所述光纖傳感器的制造方法。
【專利說明】
光纖傳感器及其制作方法
技術領域
[0001] 本發明涉及光纖檢測技術，特別地，涉及一種光纖傳感器及其制作方法。
【背景技術】
[0002] 光纖傳感器由于具有體積小、質量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強并且易于進行分 布式多參量同時測量的優點，被廣泛應用于航空航天、石油、化工、電力等諸多領域。集成 化、智能化、網絡化是光纖傳感器的發展趨勢，而高性能化和微型化是光纖傳感器上述趨勢 的基礎。
[0003] 例如，在生物醫學領域，需要利用靈敏度高、尺寸小的光纖傳感探頭對微小或難以 測量的部位(如血管、頭蓋骨等)進行微創檢測。在航空航天領域，一般則需要數百個光纖傳 感器監測飛機的應變、溫度、振蕩、起落駕馭、超聲波場和加速度情況，因此光纖傳感器的尺 寸要盡可能小，以減少飛行器重量及能源消耗，延長飛行時間。此外，在工業及智能服裝領 域也需要將光纖傳感嵌入復合材料內部測量溫度、應變等參量，這些都對光纖傳感器的靈 敏度、精度和尺寸提出了更高要求。
[0004] 微納光纖傳感技術正是應上述需求而快速發展起來的新型光纖傳感方法。其中， 干涉型微納光纖傳感器通過探測干涉條紋移動來實現對外界介質特性改變的測量，具有較 高的靈敏度及響應速度，因受到越來越多的關注。近年來，業界在低折射率襯底上分別用氧 化娃和蹄酸鹽玻璃微納光纖成功研制了微納光纖馬赫-曾德爾干涉儀(Microfiber-based Mach-Zehnder Interferometer,MMZI)，并且基于上述MMZI制作出折射率傳感器、電流傳感 器、氨氣傳感器和壓力傳感器等一系列的干涉型微納光纖傳感器。
[0005] 盡管目前對干涉型微納光纖傳感器的研究取得了一些進展，不過，現有的干涉型 微納光纖傳感器一般需要通過兩根微納光纖熔接而成，基于單根微納光纖的干涉型微納光 纖傳感方面的工作很少，成果非常有限。為了進一步提高干涉型微納光纖傳感器的靈敏度 并優化其尺寸，迫切需要研究基于單根微納光纖干涉的傳感技術及其制作方法，進一步滿 足光纖傳感器高性能化及微型化發展需要。
【發明內容】
[0006] 本發明的其中一個目的是為了改進現有技術的上述缺陷而提供了一種光纖傳感 器;本發明的另一個目的是提供一種采用所述光纖傳感器的制造方法。
[0007] 本發明提供的光纖傳感器，包括第一光纖部、第二光纖部和拉錐部，所述第一光纖 部、所述第二光纖部和所述拉錐部為同一根微納光纖的不同部分;其中，所述拉錐部位于所 述第一光纖部和所述第二光纖部之間，其包括微納光纖包層和形成在所述微納光纖包層內 部的光纖微腔結構，所述光纖微腔結構沿所述拉錐部的延伸方向，且其兩端分別與所述第 一光纖部的纖芯和所述第二光纖部的纖芯相對準；并且，所述拉錐部還包括至少一個微流 體通道，所述微流體通道與所述光纖微腔結構相連通，并且延伸到所述微納光纖包層的外 表面。
[0008] 在本發明提供的光纖傳感器的一種較佳實施例中，所述拉錐部包括兩個微流體通 道，所述兩個微流體通道分別形成在所述拉錐部與所述第一光纖部和所述第二光纖部的連 接處。
[0009] 在本發明提供的光纖傳感器的一種較佳實施例中，所述微流體通道采用單側流通 方式，其從所述光纖微腔結構的其中一側邊緣垂直延伸到所述微納光纖包層的外表面。
[0010] 在本發明提供的光纖傳感器的一種較佳實施例中，所述微流體通道采用上下流通 方式，其從所述光纖微腔結構的其中一側邊緣分別垂直延伸到所述微納光纖包層上下兩側 的外表面。
[0011] 在本發明提供的光纖傳感器的一種較佳實施例中，所述第一光纖部用于接收檢測 光，且所述檢測光經過所述第一光纖部傳輸之后分成第一路檢測光和第二路檢測光，所述 第一路檢測光經過所述拉錐部的微納光纖包層傳輸到所述第二光纖部，而所述第二路檢測 光經過所述拉錐部的光纖微腔結構傳輸到所述第二光纖部，且與所述第一路檢測光相互疊 加并產生干涉;其中所述光纖傳感器通過檢測所述第二光纖部輸出的干涉信號的相位和強 度變化來實現對待測量進行檢測。
[0012] 本發明提供的光纖傳感器的制造方法，用于制作如上所述的光纖傳感器，所述光 纖傳感器的制作方包括:通過拉錐方式在單根微納光纖形成第一光纖部、第二光纖部和拉 錐部;在所述微納光纖的拉錐部制作出至少一個微流體通道，所述微流體通道從所述拉錐 部的微納光纖包層外表面延伸到其內部;利用飛秒激光加工方式在所述拉錐部內部形成光 纖微腔結構，所述光纖微腔結構與所述微流體通道相連通，且在加工過程中所述光纖微腔 結構的碎肩通過輔助液體從所述微流體通道流出。
[0013] 本發明提供的光纖傳感器的制造方法的一種較佳實施例中，所述利用飛秒激光加 工方式在所述拉錐部內部形成光纖微腔結構包括:提供一個位移平臺，所述位移平臺包括 收容有輔助液體的收容槽，且所述收容槽的底部設置有固定裝置;將具有所述微納光纖浸 泡于所述輔助液體，并采用所述微流體通道開口朝下的方式固定在所述固定裝置;利用飛 秒激光器向所述微納光纖的拉錐部內部進行飛秒激光微加工處理，從而在所述拉錐部內部 制作出所述光纖微腔結構。
[0014] 本發明提供的光纖傳感器的制造方法的一種較佳實施例中，所述飛秒激光器采用 徑向掃描和橫向掃描相疊加的掃描方式對所述拉錐部的內部進行飛秒激光微加工處理。
[0015] 本發明提供的光纖傳感器的制造方法的一種較佳實施例中，所述微納光纖的拉錐 部兩端與所述第一光纖部和所述第二光纖部的連接處分別形成有微流體通道。
[0016] 本發明提供的光纖傳感器的制造方法的一種較佳實施例中，所述飛秒激光器從所 述微納光纖的拉錐部兩端的微流體通道開始，以直徑逐漸減小的螺旋狀掃描方式對所述拉 錐部的內部進行飛秒激光掃描。
[0017] 本發明提供的光纖傳感器通過將所述拉錐部內部的纖芯完全移除來形成所述光 纖微腔結構，從而可以使得檢測光在經過所述微納光纖包層和所述光纖微腔結構產生干 涉，實現對待測參數的檢測。相較于現有技術，本發明提供的光纖傳感器可以實現基于單根 微納光纖制作而成的干涉型傳感器，從而滿足光纖傳感器的高性能化和微型化的需求。
【附圖說明】
[0018] 為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所使用的 附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領 域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附 圖，其中：
[0019] 圖1是本發明提供的光纖傳感器一種實施例的結構示意圖；
[0020]圖2是本發明提供的光纖傳感器另一種實施例的結構示意圖；
[0021 ]圖3是本發明提供的光纖傳感器的制造方法一種實施例的流程示意圖；
[0022] 圖4是圖3所示的光纖傳感器的制造方法的飛秒激光加工示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通 技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范 圍。
[0024] 請參閱圖1，其是本發明提供的光纖傳感器一種實施例的結構示意圖，所述光纖傳 感器100為基于單根微納光纖制作而成的光纖傳感器，其包括第一光纖部110、第二光纖部 120和拉錐部130。其中，所述第一光纖部110、所述第二光纖部120和所述拉錐部130為同一 根光纖的不同部分。在本實施例中，所述拉錐部130可以通過拉錐方式形成于所述第一光纖 部110和所述第二光纖部120之間，因此其直徑小于所述第一光纖部110和所述第二光纖部 120的直徑，且所述第一光纖部110和所述第二光纖部120可以均為單模光纖。
[0025] 所述第一光纖部110包括第一纖芯111和包覆所述第一纖芯111的第一光纖包層 111;所述第二光纖部120包括第二纖芯121和包覆所述第二纖芯121的第二光纖包層122。其 中，所述第一光纖部110的第一纖芯111和所述第二光纖部120的第二纖芯121相互對準。
[0026] 所述拉錐部130包括光纖微腔結構131和包覆所述光纖微腔結構131的微納光纖包 層132。在具體實施例中，所述光纖微腔結構131可以為沿所述拉錐部130的延伸方向開設的 微型腔體，其可以利用飛秒激光微加工技術加工而成。所述光纖微腔結構131的兩端分別與 所述第一光纖部110的第一纖芯111和所述第二光纖部120的第二纖芯121相互對準。并且， 所述光纖微腔結構131的橫截面積大于所述第一纖芯111和所述第二纖芯121的橫截面積； 也即是說，所述拉錐部130在所述光纖微腔結構111所在的區域，所述微納光纖包層132包覆 的纖芯被完全移除。
[0027] 另外，在所述光纖傳感器100中，所述拉錐部130還可以包括微流體通道133,所述 微流體通道133可以開設在所述微納光纖包層132,其可以連通所述拉錐部130內部的光纖 微腔結構131和所述光纖傳感器100的外部環境，以便于在所述光纖微腔結構131加工完成 之后通過輔助液體移除所述光纖微腔結構131的碎肩。
[0028] 在本實施例中，如圖1所示，所述微流體通道133可以形成在所述拉錐部130兩端與 所述第一光纖部110和所述第二光纖部120的連接處，且每一個微流體通道133可以從所述 光纖微腔結構131的一種一側邊緣垂直延伸到所述微納光纖包層132的外表面，即所述微流 體通道133采用單側流通的方式。可替代地，在圖2所示的另一種實施例中，所述微流體通道 133同樣形成在所述拉錐部130兩側與所述第一光纖部110和所述第二光纖部120的連接處， 不過，與圖1所示的實施例不同的是，在圖2所示的實施例中，所述拉錐部130的微流體通道 133采用上下流通的方式，即是每一個微流體通道133從所述光纖微腔結構131的兩側邊緣 分別垂直延伸到所述微納光纖包層132的兩相對側（比如上下兩側）的外表面，從而便于所 述碎肩通過輔助液體從所述微納光纖包層132的兩相對側流出。
[0029] 在所述光纖傳感器100的工作過程中，檢測光從所述第一光纖部110入射到所述光 纖傳感器100,并通過所述第一纖芯111傳輸至所述拉錐部130。由于所述拉錐部130的纖芯 被移除而形成所述光纖微腔結構131，因此從所述第一纖芯111輸出的檢測光將分成兩路， 即是第一路檢測光和第二路檢測光，分別記為I#PI 2。其中，所述第一路檢測光1:將進入所 述微納光纖包層132并通過所述微納光纖包層132傳輸至所述第二光纖部120,而所述第二 路檢測光I 2將進入所述光纖微腔結構131并通過所述光纖微腔結構131傳輸至所述第二光 纖部120。并且，所述第一路檢測光I 1和所述第二路檢測光I2在所述第二光纖部120的第二纖 芯121相互疊加并產生干涉，因此從所述第二纖芯121輸出的干涉信號具體可以通過以下表 達式（1)進行表示：
[0030]
[0031]其中，I表示所述干涉信號的強度，L為所述光纖微腔結構131的長度，Δη為所述微 納光纖包層132的折射率nflbCT與所述光纖微腔結構131的折射率Iiravlty之差。通過檢測所述 第二纖芯121輸出的干涉信號的相位和強度變化，可以實現對待測量的檢測。
[0032] 例如，溫度、壓力、折射率等參量變化時會使所述光纖傳感器100內部的干涉光程 差發生改變，干涉光譜相位隨之發生改變，因此通過所述光纖傳感器100可以實現對上述參 數的檢測。如果所述光纖傳感器100應用于生物檢測時，可以在所述拉錐部130的微納光纖 包層132表面設置生物敏感材料，所述生物敏感材料與被測物質作用產生熒光，其中部分熒 光進入所述光纖傳感器100,通過檢測是否激發出熒光信號及熒光信號的強度大小來分析 待測物的有無及含量。
[0033] 本發明提供的光纖傳感器100通過將所述拉錐部130內部的纖芯完全移除來形成 所述光纖微腔結構131，從而可以使得檢測光在經過所述微納光纖包層132和所述光纖微腔 結構131產生干涉，實現對待測參數的檢測。相較于現有技術，本發明提供的光纖傳感器100 可以實現基于單根微納光纖制作而成的干涉型傳感器，從而滿足光纖傳感器的高性能化和 微型化的需求。
[0034] 基于上述光纖傳感器100,發明還進一步提供一種光纖傳感器的制造方法，其可以 用來制作如以上實施例所描述的光纖傳感器1〇〇。請參閱圖3,其為本發明提供的光纖傳感 器的制造方法一種實施例的流程示意圖。所述光纖傳感器的制造方法主要包括以下步驟： [0035] 步驟Sl，在單根微納光纖形成第一光纖部、第二光纖部和拉錐部；
[0036]如圖1所示，所述微納光纖可以為單模光纖，其可以通過拉錐處理之后形成所述第 一光纖部110、所述第二光纖部120和所述拉錐部130;其中，所述拉錐部130位于所述第一光 纖部110和所述第二光纖部120之間，且其直徑小于所述第一光纖部110和所述第二光纖部 120的直徑。
[0037] 步驟S2,在所述微納光纖的拉錐部制作出至少一個微流體通道；
[0038] 具體而言，在本步驟中，所述微流體通道133可以為兩個，且二者可以分別形成在 所述拉錐部130兩端與所述第一光纖部110和所述第二光纖部120的連接處。如圖1所示，在 一種可選的實現方式中，所述微流體通道133可以從所述拉錐部130的微納光纖包層132外 表面垂直延伸到所述微納光纖包層132內部，比如其可延伸到所述拉錐部130的纖芯部分。 可替代地，在另一種可選的實現方式中，所述微流體通道133也可以從所述微納光纖包層 132的其中一側外表面垂直延伸到另一側外表面，從而形成上下流通的結構。
[0039]步驟S3,利用飛秒激光加工方式在所述拉錐部內部形成光纖微腔結構；
[0040]請參閱圖4,在步驟S3中，首先，提供一個位移平臺400,所述位移平臺400包括收容 有輔助液體402的收容槽401，且所述收容槽401的底部設置有固定裝置403,所述固定裝置 403主要用于固定待加工的微納光纖。所述輔助液體402可以為蒸餾水或者去離子水，可選 地，為獲得更薄的液膜，所述輔助液體402還可以進一步加入揮發性液體。
[0041] 其次，將具有所述微流體通道133的微納光纖固定在所述固定裝置403,且所述微 納光纖整體浸泡于所述輔助液體402之中，并且，所述微納光纖采用所述微流體通道133開 口朝下的方式進行固定。
[0042] 接著，利用飛秒激光器向所述微納光纖的拉錐部130內部進行飛秒激光微加工處 理，從而在所述拉錐部130內部制作出所述光纖微腔結構131。如圖1和圖2所示，所述光纖微 腔結構131具體可以為沿所述拉錐部130的延伸方向形成在所述第一光纖部110和所述第二 光纖部120之間的微型腔體，并與所述微流體通道133相連通，且所述光纖微腔結構131的兩 端分別與所述第一光纖部110的第一纖芯111和所述第二光纖部120的第二纖芯121相互對 準。并且，所述光纖微腔結構131的橫截面積大于所述第一纖芯111和所述第二纖芯121的橫 截面積;也即是說，在所述光纖微腔結構111中，所述拉錐部130的微納光纖包層132包覆的 纖芯被完全移除。
[0043]應當理解的是，在所述光纖微腔結構131的飛秒激光加工過程中，所述拉錐部130 內部的纖芯被將由于所述飛秒激光的燒蝕而產生碎肩。由于在本發明提供的光纖傳感器的 制造方法，所述微納光纖是浸泡在所述輔助液體402中進行飛秒激光微加工的，因此所述碎 肩將會通過輔助液體的流動作用從所述微流體通道133自行流出，從而得到所述光纖微腔 結構133。
[0044] 為更好地理解本發明提供的光纖傳感器的制造方法，以下具體介紹步驟S3的飛秒 激光微加工的原理和加工方式。具體而言，由于所述微納光纖為透明材料，所述飛秒激光器 提供的飛秒激光可以穿透到透明的微納光纖內部，且在焦平面附近超過刻蝕能量閾值的局 部區域才能起到燒蝕的作用；因此，通過改變所述飛秒激光器的激光焦點與所述微納光纖 的相對位置，將所述飛秒激光的焦斑從所述微納光纖的拉錐部130的側面逐漸進入所述拉 錐部130的內部進行掃描，從而滿足在所述微納光纖的拉錐部130內部制作出所述光纖微腔 結構131的要求。
[0045] 并且，當所述飛秒激光器使用接近燒蝕閾值的激光通量進行微加工時，所述輔助 液體402產生的氣泡體積微小且均勻、黏性較高、雷諾數較低，不會劇烈破裂從而使材料產 生微裂紋，進而可以提高加工質量。另外，在一定范圍內，所述飛秒激光器的掃描速度的降 低會得到更深的微通道，但如果掃描速度太低的話，不斷累積的激光能量容易導致所述輔 助液體402產生過多氣泡，阻止碎肩的噴出，有可能影響加工精度和加工效率，所以掃描速 度并非是越慢越好。因此，可以選擇合適的掃描速度，兼顧微通道長徑比、加工精度以及加 工效率。
[0046] 在具體實施例中，所述飛秒激光器可以采用徑向掃描或橫向掃描兩種掃描方式， 其中，所述徑向掃描方式能夠使得所述光纖微腔結構131保持較好的孔形圓度，而所述橫向 掃描方式則有利于制備較長的光纖微腔結構131。在本實施例中，所述飛秒激光器可以采用 這兩種掃描方式的疊加的方式進行所述光纖微腔結構131的制作。并且，由于所述飛秒激光 焦斑從所述微納光纖的拉錐部130側面逐漸進入所述拉錐部130的內部進行掃描，因此在遠 離所述光纖微腔結構131的錐度可能變大，因此，本實施例可以分別從所述微納光纖的拉錐 部130兩端的微流體通道131開始，進行直徑逐漸減小的螺旋狀掃描，以減小甚至消除在所 述飛秒激光為加工過程中形成的錐度。
[0047] 以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發 明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領 域，均同理包括在本發明的專利保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種光纖傳感器，其特征在于，包括第一光纖部、第二光纖部和拉錐部，所述第一光 纖部、所述第二光纖部和所述拉錐部為同一根微納光纖的不同部分;其中，所述拉錐部位于 所述第一光纖部和所述第二光纖部之間，其包括微納光纖包層和形成在所述微納光纖包層 內部的光纖微腔結構，所述光纖微腔結構沿所述拉錐部的延伸方向，且其兩端分別與所述 第一光纖部的纖芯和所述第二光纖部的纖芯相對準；并且，所述拉錐部還包括至少一個微 流體通道，所述微流體通道與所述光纖微腔結構相連通，并且延伸到所述微納光纖包層的 外表面。2. 如權利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，所述拉錐部包括兩個微流體通道，所 述兩個微流體通道分別形成在所述拉錐部與所述第一光纖部和所述第二光纖部的連接處。3. 如權利要求2所述的光纖傳感器，其特征在于，所述微流體通道采用單側流通方式， 其從所述光纖微腔結構的其中一側邊緣垂直延伸到所述微納光纖包層的外表面。4. 如權利要求2所述的光纖傳感器，其特征在于，所述微流體通道采用上下流通方式， 其從所述光纖微腔結構的其中一側邊緣分別垂直延伸到所述微納光纖包層上下兩側的外 表面。5. 如權利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，所述第一光纖部用于接收檢測光，且 所述檢測光經過所述第一光纖部傳輸之后分成第一路檢測光和第二路檢測光，所述第一路 檢測光經過所述拉錐部的微納光纖包層傳輸到所述第二光纖部，而所述第二路檢測光經過 所述拉錐部的光纖微腔結構傳輸到所述第二光纖部，且與所述第一路檢測光相互疊加并產 生干涉;其中所述光纖傳感器通過檢測所述第二光纖部輸出的干涉信號的相位和強度變化 來實現對待測量進行檢測。6. -種光纖傳感器的制造方法，用于制作如權利要求1至5中任一項所述的光纖傳感 器，其特征在于，所述光纖傳感器的制造方法包括： 通過拉錐方式在單根微納光纖形成第一光纖部、第二光纖部和拉錐部； 在所述微納光纖的拉錐部制作出至少一個微流體通道，所述微流體通道從所述拉錐部 的微納光纖包層外表面延伸到其內部； 利用飛秒激光加工方式在所述拉錐部內部形成光纖微腔結構，所述光纖微腔結構與所 述微流體通道相連通，且在加工過程中所述光纖微腔結構的碎肩通過輔助液體從所述微流 體通道流出。7. 如權利要求6所述的光纖傳感器的制造方法，其特征在于，所述利用飛秒激光加工方 式在所述拉錐部內部形成光纖微腔結構包括： 提供一個位移平臺，所述位移平臺包括收容有輔助液體的收容槽，且所述收容槽的底 部設置有固定裝置； 將具有所述微納光纖浸泡于所述輔助液體，并采用所述微流體通道開口朝下的方式固 定在所述固定裝置； 利用飛秒激光器向所述微納光纖的拉錐部內部進行飛秒激光微加工處理，從而在所述 拉錐部內部制作出所述光纖微腔結構。8. 如權利要求7所述的光纖傳感器的制造方法，其特征在于，所述飛秒激光器采用徑向 掃描和橫向掃描相疊加的掃描方式對所述拉錐部的內部進行飛秒激光微加工處理。9. 如權利要求7所述的光纖傳感器的制造方法，其特征在于，所述微納光纖的拉錐部兩 端與所述第一光纖部和所述第二光纖部的連接處分別形成有微流體通道。10.如權利要求9所述的光纖傳感器的制造方法，其特征在于，所述飛秒激光器從所述 微納光纖的拉錐部兩端的微流體通道開始，以直徑逐漸減小的螺旋狀掃描方式對所述拉錐 部的內部進行飛秒激光掃描。
【文檔編號】G01D5/26GK105890632SQ201610209372
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月6日
【發明人】王閔, 陳 全, 許明耀
【申請人】武漢紡織大學