一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型提供了一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，屬于 光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖邁克爾遜干涉儀廣泛應(yīng)用于傳感領(lǐng)域中。傳統(tǒng)的光纖邁克爾遜干涉儀是通過(guò) 耦合透鏡使He-Ne激光進(jìn)入單模光纖，然后通過(guò)光纖耦合器分成強(qiáng)度相等的兩束光。兩束 光分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蛡鞲斜壑羞M(jìn)行傳播。在兩干涉臂中傳輸?shù)墓饨?jīng)各自光纖端面的反射鏡 反射重新返回到光纖中，在這一過(guò)程中傳感臂受到被測(cè)物理量的影響，因此在兩臂中傳輸 的光產(chǎn)生光程差，在光纖耦合器的另一輸出端將發(fā)生干涉。通過(guò)光電探測(cè)器來(lái)檢測(cè)輸出的 干涉信號(hào)干涉圖。相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的傳感器如基于馬赫曾德干涉儀的光纖傳感器，基于邁 克爾遜干涉儀的光纖傳感器尤為顯著的優(yōu)點(diǎn)是該傳感器測(cè)量的是反射譜。這個(gè)特點(diǎn)使得它 能夠更加便利的應(yīng)用到實(shí)際生活中去。近年來(lái)，人們提出一種新型的全光纖邁克爾遜干涉 儀，通過(guò)引進(jìn)一些光纖加工技術(shù)使得該干涉儀結(jié)構(gòu)可在一根光纖上實(shí)現(xiàn)。該新型的全光纖 干涉儀相對(duì)于傳統(tǒng)的干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。本專利中提出的一種基于光纖空氣環(huán)腔 的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器的制作使用到了飛秒激光器。飛秒激光器主要用于精密的 微納加工，可實(shí)現(xiàn)超高分辨率，超高精度，從而達(dá)到納米尺度的加工制造。這種全光纖的邁 克爾遜干涉儀具有靈敏度高，結(jié)構(gòu)微小，柔韌性好，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器中的空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)使得原來(lái) 僅在纖芯中傳輸?shù)墓夥謩e以纖芯模和空氣環(huán)腔模的形式進(jìn)行傳輸，而金膜使得在纖芯和空 氣環(huán)腔中傳輸?shù)墓庠诮鹉ざ嗣嫣幇l(fā)生反射并在空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)的起始端面發(fā)生干涉。干涉光 譜顯示在光譜儀上。當(dāng)使用該傳感器對(duì)外界環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每次改變溫度都會(huì)使干 涉條紋發(fā)生漂移。這是由于空氣環(huán)腔模和纖芯模對(duì)溫度變化的響應(yīng)程度不同，從而導(dǎo)致原 來(lái)的光程差發(fā)生改變。隨著光程差的改變，干涉條紋就會(huì)有所改變。當(dāng)溫度經(jīng)過(guò)一系列的 變化之后，即可以在光譜儀上觀察到與之相對(duì)應(yīng)的一系列的干涉條紋。在干涉條紋的某些 特征位置，比如干涉峰或干涉谷，可以看到極值所位于的波長(zhǎng)發(fā)生漂移，通過(guò)監(jiān)測(cè)干涉光譜 的漂移量可以實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳 感器。該裝置能夠?qū)⒋郎y(cè)溫度的變化量轉(zhuǎn)化為探測(cè)信號(hào)的波長(zhǎng)漂移量。具有靈敏度高，結(jié) 構(gòu)微小，柔韌性好，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：由入射光 纖（1)、空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)、石墨烯膜（3)和金膜（4)組成；空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)的兩端分別與 入射光纖（1)和石墨烯膜（3)相連接；石墨烯膜（3)兩端分別與空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)和金膜 (4)相連；入射光纖（1)與空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)與石墨烯膜（3)與金膜（4)共同構(gòu)成邁克爾 遜干涉儀。
[0007] 所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：入 射光纖（1)可米用G. 652單模光纖，入射光纖（1)長(zhǎng)度為20~40cm。
[0008] 所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：空 氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)所使用的光纖可采用G. 652單模光纖，長(zhǎng)度為50um~100um，空氣環(huán)腔結(jié) 構(gòu)（2)的環(huán)腔外圓半徑為4um~7um，內(nèi)圓半徑為2um~5um，空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)的同心圓 半徑差為2um〇
[0009] 所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：金 膜⑶厚度為IOOnm 0
[0010] 本實(shí)用新型的工作原理是：當(dāng)寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)入射光纖到達(dá)空氣環(huán)腔時(shí)， 由于入射光纖的纖芯直徑比具有空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)的這段光纖的纖芯直徑粗。這樣原本在纖芯 中傳輸?shù)墓獗环殖蓛刹糠?，一部分光將繼續(xù)沿著纖芯傳輸，另一部分光進(jìn)入空氣環(huán)腔中傳 輸，當(dāng)兩束光到達(dá)金鏡時(shí)，在纖芯和空氣環(huán)腔中傳輸?shù)墓庠诮鹉ざ嗣姘l(fā)生反射并在空氣環(huán) 腔結(jié)構(gòu)的起始端面發(fā)生干涉，通過(guò)光譜儀來(lái)顯示反射光譜圖。
[0011] 其中纖芯與空氣環(huán)腔之間傳輸?shù)墓獍l(fā)生了干涉，可以用已知的公式得：
[0012]
[0013] 其中I是干涉信號(hào)的強(qiáng)度，和I ravlty分別是從金膜面反射到纖芯和空氣環(huán)腔 結(jié)構(gòu)中的光的光強(qiáng)，λ為入射光波長(zhǎng)，(PD是邁克爾遜干涉儀的來(lái)回的光程差，外是干涉的 初始相位。初始的OPD可以用公式⑵表示：
[0014] OPD = 2ncoreL (2)
[0015] 其中n_是纖芯的折射率，L是空氣環(huán)腔的長(zhǎng)度。
[0016] 由于熱光效應(yīng)和光纖熱膨脹的存在，導(dǎo)致11。_和L會(huì)隨著溫度的改變而改變。邁 克爾遜干涉儀的光程差OPD隨溫度變化Δ T的變化公式：
[0017] Δ OPD = OPD (aT0+aTE) Δ T (3)
[0018] 其中aT。和aTE分別是熱光系數(shù)和光纖硅介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)。由公式⑴和公式 (3)可以得出溫度靈敏度為
[0019]
(4)
[0020] 其中λ。是強(qiáng)度最大或者最小時(shí)的波長(zhǎng)，Δ λ。是在λ。處的波長(zhǎng)漂移。溫度的靈 敏度主要決定于傳感器的熱光效應(yīng)。
[0021] 當(dāng)使用該傳感器對(duì)外界溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每次改變外界溫度，由于空氣環(huán)腔模和 纖芯模對(duì)溫度的響應(yīng)程度不同，使得空氣環(huán)腔模與纖芯模的光程差發(fā)生改變，從而改變了 空氣環(huán)腔模與纖芯模之間的相位差，干涉條紋發(fā)生漂移，通過(guò)監(jiān)測(cè)干涉光譜波長(zhǎng)漂移量可 以還原待測(cè)信號(hào)。
[0022] 本實(shí)用新型的有益效果是：該溫度傳感器是基于空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)的邁克爾遜干涉儀 制作而成的。纖芯中傳輸?shù)墓庥捎趥魅牍饫w與空氣環(huán)腔的纖芯大小不匹配，使得原本在傳 入光纖纖芯中傳輸?shù)墓庖徊糠謱⒗^續(xù)沿著燒損的纖芯傳輸，另一部分光進(jìn)入空氣環(huán)腔。當(dāng) 到達(dá)金膜時(shí)，在空氣環(huán)腔和在纖芯中傳輸?shù)墓鈱⒃诮鹉ざ嗣姘l(fā)生反射并在空氣環(huán)腔的起始 端面發(fā)生干涉。當(dāng)改變傳感器的外界溫度時(shí)，對(duì)應(yīng)的干涉光譜將會(huì)漂移。該傳感器采用邁 克爾遜干涉儀，穩(wěn)定性更好，靈敏度更高，并且不易受到外界折射率變化的影響。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是本實(shí)用新型的基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器示意圖；
[0024] 圖2是本實(shí)用新型的經(jīng)飛秒激光器打孔前后的光纖端面示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述：
[0026] 參見(jiàn)附圖1，一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，由入射光纖 (1)、空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)、石墨烯膜（3)和金膜（4)組成；空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)的兩端分別與入 射光纖（1)和石墨烯膜（3)相連接；石墨烯膜（3)兩端分別與空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)和金膜（4) 相連；入射光纖（1)與空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)與石墨烯膜（3)與金膜（4)共同構(gòu)成邁克爾遜干 涉儀?？諝猸h(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)的制作過(guò)程如下：用飛秒激光器在光纖端面進(jìn)行打孔，將激光光斑 直徑調(diào)到2um左右，在包層里沿著纖芯打一圈小孔，每個(gè)小孔之間有交叉。同時(shí)調(diào)節(jié)飛秒激 光器的強(qiáng)度和聚焦點(diǎn)遠(yuǎn)近從而控制小孔的深度。經(jīng)飛秒激光器處理過(guò)后，可在纖芯與包層 交界處形成環(huán)形空氣腔。打孔前后光纖端面如圖2所示，其中中心的黑色區(qū)域代表纖芯，可 以發(fā)現(xiàn)在打孔前后，纖芯直徑減小。打完孔后，由于環(huán)形空氣腔的內(nèi)表面不夠光滑，于是使 用HF腐蝕光纖，使其平滑。在空氣環(huán)腔的一端鍍上金膜（3)的過(guò)程如下：因?yàn)槭窃诳涨欢?面鍍金膜，使用噴金的方法容易噴到空腔里，因此要在鍍金的光纖表面先鍍一層石墨烯膜， 從而防止噴的金進(jìn)入空腔。
[0027] 本實(shí)用新型裝置的工作方式為：將溫度傳感器的一端接寬帶光源，另一端接光譜 儀。當(dāng)寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖到達(dá)空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)時(shí)，原本在纖芯中傳輸?shù)墓獗环譃?兩部分，一部分進(jìn)入空氣環(huán)腔，另一部分光將繼續(xù)沿著纖芯傳輸。金膜使得在纖芯和空氣環(huán) 腔中傳輸?shù)墓庠诮鹉ざ嗣姘l(fā)生反射并在空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)的起始端面發(fā)生干涉。當(dāng)改變傳感器 的外界溫度時(shí)，對(duì)應(yīng)的干涉光譜將會(huì)漂移，通過(guò)光譜儀來(lái)監(jiān)測(cè)邁克爾遜干涉儀的反射譜的 變化，從而可以得出該傳感器的靈敏度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 本實(shí)用新型提供了 一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀（Michelson interferometer)的溫度傳感器，其特征在于：由入射光纖（1)、空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)、石墨稀 膜⑶和金膜⑷組成；空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)⑵的兩端分別與入射光纖⑴和石墨烯膜⑶相 連接；石墨烯膜（3)兩端分別與空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)和金膜（4)相連；入射光纖（1)與空氣環(huán) 腔結(jié)構(gòu)（2)與石墨烯膜（3)與金膜（4)共同構(gòu)成邁克爾遜干涉儀。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其 特征在于：入射光纖（1)可采用G. 652單模光纖，入射光纖（1)長(zhǎng)度為20~40cm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其 特征在于：空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)所使用的光纖可采用G. 652單模光纖，長(zhǎng)度為50um~100um， 空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2)的環(huán)腔外圓半徑為4um~7um，內(nèi)圓半徑為2um~5um，空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)（2) 的同心圓半徑差為2um〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其 特征在于：金膜（4)厚度為IOOnm0
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種基于光纖空氣環(huán)腔的邁克爾遜干涉儀(Michelson？interferometer)的溫度傳感器，其特征在于：由入射光纖(1)、空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)(2)、石墨烯膜(3)和金膜(4)組成；空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)(2)的兩端分別與入射光纖(1)和石墨烯膜(3)相連接；石墨烯膜(3)兩端分別與空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)(2)和金膜(4)相連；入射光纖(1)與空氣環(huán)腔結(jié)構(gòu)(2)與石墨烯膜(3)與金膜(4)共同構(gòu)成邁克爾遜干涉儀；本實(shí)用新型靈敏度高，結(jié)構(gòu)微小，柔韌性好，成本低，可以應(yīng)用于各種高溫測(cè)量的實(shí)際工程中。
【IPC分類】G01K11/32
【公開(kāi)號(hào)】CN204807234
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520438069
【發(fā)明人】馬啟飛, 倪凱, 黃然
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年6月19日