CN105157875A - 一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪(Michelson？interferometer)的温度传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、空气环腔结构(2)、石墨烯膜(3)和金膜(4)组成；空气环腔结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和石墨烯膜(3)相连接；石墨烯膜(3)两端分别与空气环腔结构(2)和金膜(4)相连；入射光纤(1)与空气环腔结构(2)与石墨烯膜(3)与金膜(4)共同构成迈克尔逊干涉仪；本发明灵敏度高，结构微小，柔韧性好，成本低，可以应用于各种高温测量的实际工程中。

Description

一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器

技术领域

本发明提供了一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

光纤迈克尔逊干涉仪广泛应用于传感领域中。传统的光纤迈克尔逊干涉仪是通过耦合透镜使He-Ne激光进入单模光纤，然后通过光纤耦合器分成强度相等的两束光。两束光分别进入参考臂和传感臂中进行传播。在两干涉臂中传输的光经各自光纤端面的反射镜反射重新返回到光纤中，在这一过程中传感臂受到被测物理量的影响，因此在两臂中传输的光产生光程差，在光纤耦合器的另一输出端将发生干涉。通过光电探测器来检测输出的干涉信号干涉图。相对于其他结构的传感器如基于马赫曾德干涉仪的光纤传感器，基于迈克尔逊干涉仪的光纤传感器尤为显著的优点是该传感器测量的是反射谱。这个特点使得它能够更加便利的应用到实际生活中去。近年来，人们提出一种新型的全光纤迈克尔逊干涉仪，通过引进一些光纤加工技术使得该干涉仪结构可在一根光纤上实现。该新型的全光纤干涉仪相对于传统的干涉仪结构简单，使用方便。本专利中提出的一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器的制作使用到了飞秒激光器。飞秒激光器主要用于精密的微纳加工，可实现超高分辨率，超高精度，从而达到纳米尺度的加工制造。这种全光纤的迈克尔逊干涉仪具有灵敏度高，结构微小，柔韧性好，成本低等优点。

基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器中的空气环腔结构使得原来仅在纤芯中传输的光分别以纤芯模和空气环腔模的形式进行传输，而金膜使得在纤芯和空气环腔中传输的光在金膜端面处发生反射并在空气环腔结构的起始端面发生干涉。干涉光谱显示在光谱仪上。当使用该传感器对外界环境温度进行测量时，每次改变温度都会使干涉条纹发生漂移。这是由于空气环腔模和纤芯模对温度变化的响应程度不同，从而导致原来的光程差发生改变。随着光程差的改变，干涉条纹就会有所改变。当温度经过一系列的变化之后，即可以在光谱仪上观察到与之相对应的一系列的干涉条纹。在干涉条纹的某些特征位置，比如干涉峰或干涉谷，可以看到极值所位于的波长发生漂移，通过监测干涉光谱的漂移量可以实现温度测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器。该装置能够将待测温度的变化量转化为探测信号的波长漂移量。具有灵敏度高，结构微小，柔韧性好，成本低等优点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、空气环腔结构(2)、石墨烯膜(3)和金膜(4)组成；空气环腔结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和石墨烯膜(3)相连接；石墨烯膜(3)两端分别与空气环腔结构(2)和金膜(4)相连；入射光纤(1)与空气环腔结构(2)与石墨烯膜(3)与金膜(4)共同构成迈克尔逊干涉仪。

所述的一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于：入射光纤(1)可采用G.652单模光纤，入射光纤(1)长度为20～40cm。

所述的一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于：空气环腔结构(2)所使用的光纤可采用G.652单模光纤，长度为50um～100um，空气环腔结构(2)的环腔外圆半径为4um～7um，内圆半径为2um～5um，空气环腔结构(2)的同心圆半径差为2um。

所述的一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于：金膜(3)厚度为100nm。

本发明的工作原理是：当宽带光源发出的光经过入射光纤到达空气环腔时，由于入射光纤的纤芯直径比具有空气环腔结构的这段光纤的纤芯直径粗。这样原本在纤芯中传输的光被分成两部分，一部分光将继续沿着纤芯传输，另一部分光进入空气环腔中传输，当两束光到达金镜时，在纤芯和空气环腔中传输的光在金膜端面发生反射并在空气环腔结构的起始端面发生干涉，通过光谱仪来显示反射光谱图。

其中纤芯与空气环腔之间传输的光发生了干涉，可以用已知的公式得：

其中I是干涉信号的强度，I_core和I_cavity分别是从金膜面反射到纤芯和空气环腔结构中的光的光强，λ为入射光波长，OPD是迈克尔逊干涉仪的来回的光程差，是干涉的初始相位。初始的OPD可以用公式(2)表示：

OPD＝2n_coreL(2)

其中n_core是纤芯的折射率，L是空气环腔的长度。

由于热光效应和光纤热膨胀的存在，导致n_core和L会随着温度的改变而改变。迈克尔逊干涉仪的光程差OPD随温度变化ΔT的的变化公式：

ΔOPD＝OPD(a_TO+a_TE)ΔT(3)

其中a_TO和a_TE分别是热光系数和光纤硅介质的热膨胀系数。由公式(1)和公式(3)可以得出温度灵敏度为

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_0}{\mathrm{\ΔT}}={\mathrm{\λ}}_0(a_{T0}+a_{\mathrm{TE}})---\left(4\right)$

其中λ₀是强度最大或者最小时的波长，Δλ₀是在λ₀处的波长漂移。温度的灵敏度主要决定于传感器的热光效应。

当使用该传感器对外界温度进行测量时，每次改变外界温度，由于空气环腔模和纤芯模对温度的响应程度不同，使得空气环腔模与纤芯模的光程差发生改变，从而改变了空气环腔模与纤芯模之间的相位差，干涉条纹发生漂移，通过监测干涉光谱波长漂移量可以还原待测信号。

本发明的有益效果是：该温度传感器是基于空气环腔结构的迈克尔逊干涉仪制作而成的。纤芯中传输的光由于传入光纤与空气环腔的纤芯大小不匹配，使得原本在传入光纤纤芯中传输的光一部分将继续沿着烧损的纤芯传输，另一部分光进入空气环腔。当到达金膜时，在空气环腔和在纤芯中传输的光将在金膜端面发生反射并在空气环腔的起始端面发生干涉。当改变传感器的外界温度时，对应的干涉光谱将会漂移。该传感器采用迈克尔逊干涉仪，稳定性更好，灵敏度更高，并且不易受到外界折射率变化的影响。

附图说明

图1是本发明的基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器示意图；

图2是本发明的经飞秒激光器打孔前后的光纤端面示意图；

具体实施方式

下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：

参见附图1，一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器，由入射光纤(1)、空气环腔结构(2)、石墨烯膜(3)和金膜(4)组成；空气环腔结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和石墨烯膜(3)相连接；石墨烯膜(3)两端分别与空气环腔结构(2)和金膜(4)相连；入射光纤(1)与空气环腔结构(2)与石墨烯膜(3)与金膜(4)共同构成迈克尔逊干涉仪。空气环腔结构(2)的制作过程如下：用飞秒激光器在光纤端面进行打孔，将激光光斑直径调到2um左右，在包层里沿着纤芯打一圈小孔，每个小孔之间有交叉。同时调节飞秒激光器的强度和聚焦点远近从而控制小孔的深度。经飞秒激光器处理过后，可在纤芯与包层交界处形成环形空气腔。打孔前后光纤端面如图2所示，其中中心的黑色区域代表纤芯，可以发现在打孔前后，纤芯直径减小。打完孔后，由于环形空气腔的内表面不够光滑，于是使用HF腐蚀光纤，使其平滑。在空气环腔的一端镀上金膜(3)的过程如下：因为是在空腔端面镀金膜，使用喷金的方法容易喷到空腔里，因此要在镀金的光纤表面先镀一层石墨烯膜，从而防止喷的金进入空腔。

本发明装置的工作方式为：将温度传感器的一端接宽带光源，另一端接光谱仪。当宽带光源发出的光经入射光纤到达空气环腔结构时，原本在纤芯中传输的光被分为两部分，一部分进入空气环腔，另一部分光将继续沿着纤芯传输。金膜使得在纤芯和空气环腔中传输的光在金膜端面发生反射并在空气环腔结构的起始端面发生干涉。当改变传感器的外界温度时，对应的干涉光谱将会漂移，通过光谱仪来监测迈克尔逊干涉仪的反射谱的变化，从而可以得出该传感器的灵敏度。

Claims (4)

1.本发明提供了一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪(Michelsoninterferometer)的温度传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、空气环腔结构(2)、石墨烯膜(3)和金膜(4)组成；空气环腔结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和石墨烯膜(3)相连接；石墨烯膜(3)两端分别与空气环腔结构(2)和金膜(4)相连；入射光纤(1)与空气环腔结构(2)与石墨烯膜(3)与金膜(4)共同构成迈克尔逊干涉仪。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于：入射光纤(1)可采用G.652单模光纤，入射光纤(1)长度为20～40cm。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于：空气环腔结构(2)所使用的光纤可采用G.652单模光纤，长度为50um～100um，空气环腔结构(2)的环腔外圆半径为4um～7um，内圆半径为2um～5um，空气环腔结构(2)的同心圆半径差为2um。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于：金膜(4)厚度为100nm。