CN109186641A - 一种制造光纤传感器的方法、及光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种制造光纤传感器的方法、及光纤传感器，该方法包括：将基底光纤拉锥为微纳光纤，并将所述微纳光纤打结处理为微环谐振腔；通过范德华力将产生回音壁模式的谐振腔吸附在所述微环谐振腔上，形成光纤传感器。本发明能够制造出一种尺寸小、且具有超高灵敏度和分辨率的光纤传感器，相比一般的双参量传感器，在性能上有较大提升。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种制造光纤传感器的方法、及光纤传感器。
背景技术
现有技术中的光纤传感器中的双参传感器存在体积较大、灵敏度低、分辨率低的缺点。因此，如何制造出一种灵敏度高且分辨率高的光线传感器成为亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例的主要目的在于提出一种制造光纤传感器的方法、及光纤传感器，能够制造出一种尺寸小、且具有超高灵敏度和分辨率的光纤传感器，相比一般的双参量传感器，在性能上有较大提升。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种制造光纤传感器的方法，所述方法包括：
将基底光纤拉锥为微纳光纤，并将所述微纳光纤打结处理为微环谐振腔；
通过范德华力将产生回音壁模式的谐振腔吸附在所述微环谐振腔上，形成光纤传感器。
可选的，所述微纳光纤的直径为亚波长量级。
可选的，所述将基底光纤拉锥为微纳光纤，并将所述微纳光纤打结处理为微环谐振腔，还包括：
通过电动平移台装置将所述微环谐振腔缩小至直径在100微米至1000微米的范围内。
可选的，所述产生回音壁模式的谐振腔为：半导体材料的小球、半导体材料的圆盘、聚合物材料的小球或者聚合物材料的圆盘。
可选的，所述产生回音壁模式的谐振腔的直径在1微米至100微米的范围内。
此外，为实现上述目的，本发明实施例还提出一种光纤传感器，包括：基底光纤、微纳光纤、微环谐振腔和产生回音壁模式的谐振腔；
其中，所述微纳光纤是所述基底光纤中的一段经拉锥形成的；
所述微环谐振腔是所述微纳光纤中的一段经打结处理构成的；
所述产生回音壁模式的谐振腔通过范德华力吸附在所述微环谐振腔上。
可选的，所述微纳光纤的直径为亚波长量级。
可选的，所述微环谐振腔的直径在100微米至1000微米的范围内。
可选的，所述产生回音壁模式的谐振腔为：半导体材料的小球、半导体材料的圆盘、聚合物材料的小球或者聚合物材料的圆盘。
可选的，所述产生回音壁模式的谐振腔的直径在1微米至100微米的范围内。
本发明实施例提出的制造光纤传感器的方法、及光纤传感器，将两种微纳结构的谐振腔结合构成一种新的传感器结构。由于两种谐振腔的可选择的材料特性不同，传感特性也不同，可用于双参量传感。此外，产生回音壁模式的谐振腔和微环谐振腔的直径不同，产生回音壁模式的谐振腔和微环谐振腔内的传输模式的自由光谱范围也不同，在光谱上反映为两种谐振频率。由于微环谐振腔的直径更大，所以对应谐振峰的自由光谱范围较小；由于产生回音壁模式的直径较小，所以产生回音壁模式的谐振腔的谐振峰的自由光谱范围较大，对应光谱中微环谐振腔的谐振峰的包络。两种谐振峰的成因不同，传感特性不同，可用于双参量传感。
附图说明
图1是本发明第一实施例的制造光纤传感器的方法的流程图；
图2是本发明第二实施例的制造光纤传感器的方法的流程图；
图3是本发明第三实施例的光纤传感器的组成结构示意图；
图4是本发明第四实施例的温度、折射率的测试***的组成结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明实施例为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明实施例进行详细说明如后。
本发明第一实施例，提出了一种制造光纤传感器的方法，如图1所示，所述方法具体包括以下步骤：
步骤S101：将基底光纤拉锥为微纳光纤，并将所述微纳光纤打结处理为微环谐振腔。
拉锥是用高温加热光纤以使光纤熔融，同时对光纤施加拉伸力，使得光纤变细。拉锥为本领域的常用加工方法，故此处不再赘述。
微纳光纤以亚波长尺寸、低损耗、倏逝场传输、强光场限制、高非线性系数等优点，在光纤通信、传感、非线性光学等方面均得到了广泛的应用。
微环谐振腔具有尺寸小、制备简单、品质因数高等特点在激光光源及激光传感领域有很广泛的应用前景。
具体的，所述微纳光纤的直径为亚波长量级。
进一步的，所述将基底光纤拉锥为微纳光纤，并将所述微纳光纤打结处理为微环谐振腔，还包括：
通过电动平移台装置将所述微环谐振腔缩小至直径在100微米至1000微米的范围内。
步骤S102：通过范德华力将产生回音壁模式的谐振腔吸附在所述微环谐振腔上，形成光纤传感器。
回音壁模式是一种在球形或圆盘形谐振腔内传输的模式，与环形腔相比，回音壁模式没有内部边界的限制，基于全内反射原理，对光场的约束更强，腔的品质因数可以达到109～1010，常被用于激光传感和产生频率梳等。
具体的，所述产生回音壁模式的谐振腔为：半导体材料的小球、半导体材料的圆盘、聚合物材料的小球或者聚合物材料的圆盘。
所述产生回音壁模式的谐振腔的直径在1微米至100微米的范围内。
在本发明实施例中的微环谐振腔和产生回音壁模式的谐振腔都具有很高的品质因数，应用于传感领域都具有很高的分辨率，可以探测到更加细微的变化，而微纳尺度的传感器由于倏逝波传输的特点又具有很高灵敏度。两种谐振腔结合的新型光纤传感器具有尺寸小，超高灵敏度和分辨率的特点，可用于双参量传感领域。
本发明第二实施例，提出了一种制造光纤传感器的方法，如图2所示，所述方法具体包括以下步骤：
步骤S201：将基底光纤拉锥为微纳光纤。
其中，微纳光纤直径在亚波长量级，对传输波长有较强的限制作用，经过剧烈的弯曲依然可以保持较低的传输损耗。
步骤S202：微纳光纤通过打结处理得到微环谐振腔。
步骤S203：通过电动平移台装置将微环谐振腔的直径缩小至百微米量级。
需要说明的是，上述步骤S201至步骤S203为制备微环谐振腔的过程，且上述步骤S201至步骤S203应在净化条件中进行，因为微纳光纤对表面光洁度的要求较高，尘埃会造成微纳光纤较高的损耗。
步骤S204：通过范德华力将产生回音壁模式的谐振腔吸附在微环谐振腔上，形成光纤传感器。
具体的，产生回音壁模式的谐振腔为：半导体材料的小球、半导体材料的圆盘、聚合物材料的小球或者聚合物材料的圆盘。
产生回音壁模式的谐振腔的直径在几微米至几十微米量级。
在本发明实施例中，将两种微纳结构的谐振腔结合构成一种新的传感器结构。由于两种谐振腔的可选择的材料特性不同，传感特性也不同，可用于双参量传感。此外，产生回音壁模式的谐振腔和微环谐振腔的直径不同，产生回音壁模式的谐振腔和微环谐振腔内的传输模式的自由光谱范围也不同，在光谱上反映为两种谐振频率。由于微环谐振腔的直径更大，所以对应谐振峰的自由光谱范围较小；由于产生回音壁模式的直径较小，所以产生回音壁模式的谐振腔的谐振峰的自由光谱范围较大，对应光谱中微环谐振腔的谐振峰的包络。两种谐振峰的成因不同，传感特性不同，可用于双参量传感。
本发明第三实施例，提出了一种光纤传感器，如图3所示，所述光纤传感器具体包括以下组成部分：基底光纤301、微纳光纤302、微环谐振腔303和产生回音壁模式的谐振腔304。
其中，微纳光纤302是基底光纤301中的一段经拉锥形成的；
微环谐振腔30是微纳光纤302中的一段经打结处理构成的；
产生回音壁模式的谐振腔304通过范德华力吸附在微环谐振腔303上。
具体的，微纳光纤302的直径为亚波长量级。
微环谐振腔303的直径在100微米至1000微米的范围内。
产生回音壁模式的谐振腔304的直径在1微米至100微米的范围内。
进一步的，产生回音壁模式的谐振腔304为：半导体材料的小球、半导体材料的圆盘、聚合物材料的小球或者聚合物材料的圆盘。
本发明实施例中的光纤传感器的两个微纳结构的谐振腔都是具有高品质因数的谐振腔，高品质因数的谐振腔在传感应用中具有高分辨率的优点。由于构成本发明实施例的光纤传感器的两种谐振腔的尺寸都在微纳尺度，具有倏逝波传输的特性，倏逝波对于周围介质中会引起折射率变化的因素非常敏感，因此这种传感器具有较高的灵敏度。此外，用于制作微纳光纤的基底光纤可以采用常用的通信用光纤，原材料成本低廉，且与现有的光纤传感***可以直接采用熔接的方式，不会破坏***的全光纤结构，耦合损耗低。
本发明第四实施例，提出了光纤传感器在温度、折射率传感方面的应用，如图4所示，是一个温度、折射率的测试***，该***具体包括以下组成部分：激光光源401、光纤传感器402、折射率匹配液403、高低温箱404、光谱仪405。
其中，光纤传感器402包括：微环谐振腔和产生回音壁模式的谐振腔；产生回音壁模式的谐振腔通过范德华力吸附在微环谐振腔上。
具体的，微环谐振腔是通过将微纳光纤打结处理构成的，微纳光纤是通过将基底光纤拉锥形成的。
需要说明的是，在本发明实施例中，微环谐振腔的基底光纤采用的是单模通信光纤。基底光纤经拉锥后得到一段直径十几微米、拉锥长度几厘米的微纳光纤。微纳光纤经打结处理后得到一个直径在百微米量级的微环谐振腔。
在本发明实施例中，产生回音壁模式的谐振腔为一个热光系数高的聚合物小球，且所述聚合物小球的直径在几微米左右。将所述聚合物小球通过范德华力吸附在所述微环谐振腔上，形成了光纤传感器。
如图4所示，将所述微环谐振腔上的没有与所述聚合物小球耦合的部分放置于一个盛有折射率匹配液的容器中，并将盛有折射率匹配液的容器与光纤传感器一同放入高低温箱中。光纤传感器的一端与激光光源连接、光纤传感器的另一端与光谱仪连接，从而测得不同折射率匹配液和温度下的激光光谱。
在本发明实施例中，微环谐振腔采用的是石英材料。石英材料的热光系数较低，对温度不敏感，但倏逝波对折射率变化敏感。热光系数较高的聚合物小球对温度变化敏感，根据两种谐振峰的漂移情况，可以分别计算光纤传感器的温度和折射率的灵敏度。
本发明实施例中介绍的制造光纤传感器的方法、及光纤传感器，将两种微纳结构的谐振腔结合构成一种新的传感器结构。由于两种谐振腔的可选择的材料特性不同，传感特性也不同，可用于双参量传感。此外，产生回音壁模式的谐振腔和微环谐振腔的直径不同，产生回音壁模式的谐振腔和微环谐振腔内的传输模式的自由光谱范围也不同，在光谱上反映为两种谐振频率。由于微环谐振腔的直径更大，所以对应谐振峰的自由光谱范围较小；由于产生回音壁模式的直径较小，所以产生回音壁模式的谐振腔的谐振峰的自由光谱范围较大，对应光谱中微环谐振腔的谐振峰的包络。两种谐振峰的成因不同，传感特性不同，可用于双参量传感。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明实施例为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明实施例加以限制。
Claims (10)
1.一种制造光纤传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：
将基底光纤拉锥为微纳光纤，并将所述微纳光纤打结处理为微环谐振腔；
通过范德华力将产生回音壁模式的谐振腔吸附在所述微环谐振腔上，形成光纤传感器。
2.根据权利要求1所述的制造光纤传感器的方法，其特征在于，所述微纳光纤的直径为亚波长量级。
3.根据权利要求1所述的制造光纤传感器的方法，其特征在于，所述将基底光纤拉锥为微纳光纤，并将所述微纳光纤打结处理为微环谐振腔，还包括：
通过电动平移台装置将所述微环谐振腔缩小至直径在100微米至1000微米的范围内。
4.根据权利要求1所述的制造光纤传感器的方法，其特征在于，所述产生回音壁模式的谐振腔为：半导体材料的小球、半导体材料的圆盘、聚合物材料的小球或者聚合物材料的圆盘。
5.根据权利要求1所述的制造光纤传感器的方法，其特征在于，所述产生回音壁模式的谐振腔的直径在1微米至100微米的范围内。
6.一种光纤传感器，其特征在于，包括：基底光纤、微纳光纤、微环谐振腔和产生回音壁模式的谐振腔；
其中，所述微纳光纤是所述基底光纤中的一段经拉锥形成的；
所述微环谐振腔是所述微纳光纤中的一段经打结处理构成的；
所述产生回音壁模式的谐振腔通过范德华力吸附在所述微环谐振腔上。
7.根据权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于，所述微纳光纤的直径为亚波长量级。
8.根据权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于，所述微环谐振腔的直径在100微米至1000微米的范围内。
9.根据权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于，所述产生回音壁模式的谐振腔为：半导体材料的小球、半导体材料的圆盘、聚合物材料的小球或者聚合物材料的圆盘。
10.根据权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于，所述产生回音壁模式的谐振腔的直径在1微米至100微米的范围内。
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