CN115307567A - 一种基于多芯光纤拉锥的曲率传感器及其制备方法 - Google Patents

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孙丹
刘�文
庄浩然
季彦呈
章国安
黄勋
邹丽
曹娟
王小彬
马狄峰
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Abstract

本申请提出一种基于多芯光纤拉锥的曲率传感器及制备方法，该曲率传感器，包括：第一单模光纤区、多芯光纤区、拉锥微光纤区及第二单模光纤区；第一单模光纤区包括：第一纤芯，且第一纤芯的外部包覆有第一包层，第二单模光纤区包括：第二纤芯，且第二纤芯的外部包覆有第二包层，多芯光纤区包括：多股纤芯，多股纤芯配置成以其中一根纤芯作为中心纤芯，其余纤芯环绕排布于中心纤芯的侧壁圆周上，且多芯光纤区沿着中心纤芯的轴线方向从一端向另一端收缩的锥形结构，第一纤芯连接多芯光纤区的中心纤芯，多芯光纤区的远离第一纤芯侧通过拉锥微光纤区与第二单模光纤区熔接。该曲率传感器在30℃‑140℃范围内对温度不敏感，对曲率却有着极高的灵敏度。

Description

一种基于多芯光纤拉锥的曲率传感器及其制备方法
技术领域
本申请涉及一种传感器技术领域，具体的涉及一种基于多芯光纤拉锥的曲率传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，对物体曲率的精确测量在医疗器械、工程结构监测、航空航天工程等众多应用中有着至关重要的作用。在众多曲率传感器中，光纤曲率传感器因其抗电磁干扰、结构简单、价格低廉的特点被广泛研究和应用。多种光纤曲率传感器件被提出，如马赫-增德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometers,MZI)、Sagnac干涉仪、光纤布拉格光栅(fiberBragggrating，FBG)、长周期光栅(Long-periodfibergrating，LPFG)等。其中，基于Sagnac干涉仪的传感器结构复杂；基于FBG及LPFG的传感器制备需要激光刻蚀，制备难度大且成本高；而基于MZI的传感器凭借其体积小、制备简单、灵敏度高的特点被重点关注。
目前，用于曲率测量的MZI传感器主要为基于不同类型光纤的线型马赫-曾德尔干涉仪(Inline Mach-Zehnder Interferometer,IMZI)结构。IMZI将传统MZI的两个传输臂集中于一根光纤中，进一步减小了MZI的体积、成本，并使之结构更为紧凑，便于集成。2016年，Jing Kong,XiaoweiOuyang等人提出了基于偏心光纤马赫-曾德尔模态干涉仪的高灵敏度定向弯曲传感器，其弯曲灵敏度为13.49nm/m-1，然而基于偏芯结构的IMZI传感器通常不仅对曲率敏感，而且同时对温度或外部折射率敏感，这使得信号响应很难相互分离。2017年，Meng-Zhu Zhang,Yu-Ming Ge等人提出了基于液晶渗透光纤干涉仪的超灵敏曲率传感器，其最大曲率敏感度可达724.3nm/m-1,但是极大提高了传感器的制备难度和成本。2018年，QiWang和Yu Liu报道了基于多模光纤-七芯光纤-多模光纤(multimode fiber-seven corefiber-multimode fiber,MMF-SCF-MMF)结构的曲率传感器，其最大曲率灵敏度为41.46453nm/m-1。2020年，Rui Zhou,XueguangQiao等人基于相同结构提出了基于侧偏熔接七芯光纤的弯拉应变光纤传感器，其曲率灵敏度为25.96nm/m-1。虽然基于MMF-SCF-MMF结构的传感器提高了传感器的曲率灵敏度，但其对光的衰减极大，多在15-25dB之间，不利于实际中的应用。
现有结构的制备而成的MZI，和七芯光纤端面连接的不是经过熔球的就是经过偏芯光纤，这样造成制备的器件具有以下缺点：(1)对光的衰减大；(2)难以避免温度、曲率等外部环境交叉敏感的问题；(3)结构复杂。
为此需要一种的改进现有的光纤拉锥的曲率传感器及制备方法。
发明内容
为克服上述缺陷点，本申请的目的在于：提供一种曲率传感器，该曲率传感器制作方法简单且在宽范围内对温度不敏感，对曲率却有着极高的灵敏度。
为实现上述目的，本申请采用如下的技术方案：
一种基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，其特征在于，依次包括：
第一单模光纤区、多芯光纤区、拉锥微光纤区及第二单模光纤区；
所述第一单模光纤区包括：第一纤芯，且所述第一纤芯的外部包覆有第一包层，
所述第二单模光纤区包括：第二纤芯，且所述第二纤芯的外部包覆有第二包层，
所述多芯光纤区包括：多股纤芯，所述多股纤芯配置成以其中一根纤芯作为中心纤芯，其余纤芯环绕排布于中心纤芯的侧壁圆周上，且所述多芯光纤区沿着所述中心纤芯的轴线方向从一端向另一端收缩的锥形结构，
所述第一纤芯连接所述多芯光纤区的中心纤芯，多芯光纤区的远离所述第一纤芯侧通过拉锥微光纤区与所述第二单模光纤区熔接。
较佳的，该多股纤芯拉锥前配置成以其中一根纤芯作为中心纤芯，其余所述纤芯分别与所述中心纤芯平行。拉锥后呈锥形。
较佳的，该多芯光纤区呈锥形结构，锥头侧的直径大于锥尾的直径。
较佳的，该第一纤芯从所述锥头侧与所述中心纤芯连接。
较佳的，该第二单模光纤区的与拉锥微光纤区熔接的侧呈锥形结构。
较佳的，该拉锥微光纤区配置有包层，没有纤芯。
较佳的，该第一包层的外径大于排布成所述多股纤芯的直径。
本申请实施例提供一种基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将第一单模光纤、多芯光纤、第二单模光纤放置于光纤熔接机中，
将第一单模光纤的第一纤芯与多芯光纤的中心纤芯一端对齐，并将第二单模光纤的第二纤芯与多芯光纤的中心纤芯另一端对齐；
第一纤芯与多芯光纤的中心纤芯一端对齐处为第一熔接点、第二单模光纤的第二纤芯与多芯光纤的中心纤芯另一端对齐处为第二熔接点，使用光纤熔接机进行熔接形成光纤熔接体；
将光纤熔接体放置于氢氧拉锥装置上，其中第二熔接点放置于氢氧拉锥机的拉锥中心处，调整氢氧拉锥机中的氢氧气比例来调节拉锥速度，通过拉锥将多芯光纤拉成锥形结构并且在锥尾与第二单模光之间形成拉锥微光纤区。
有益效果
与现有技术相比，本申请实施方式中提出的曲率传感器，该曲率传感器基于线型马赫曾德尔干涉仪(IMZI)原理通过拉锥的方式极大的减少了传感器中光的衰减，衰减在8-12dB之间，其最大曲率敏感度可达174.02957nm/m-1，大大提高了光纤曲率传感器的灵敏度。此外，该传感器在30℃-140℃范围内对温度不敏感，这避免了温度、曲率的交叉敏感问题，有利于实际应用。
附图说明
图1为本申请实施例的全息透镜曝光拼接光路图。
图2为本申请实施例的七芯光纤的截面示意图。
图3a为本申请实施例的IMZI的透射谱，图3b为透射谱的FFT变换示意图。
图4为本申请实施例的温度传感实验***原理图。
图5a为曲率检测的透射谱变化，图5b为波长与曲率的实验与拟合曲线。
图6为不同长度七芯光纤基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的波长与曲率的实验与拟合曲线。
图7为不同拉锥微光纤区长度基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的波长与曲率的实验与拟合曲线。
图8为温度传感实验***原理图。
图9a-c为不同七芯光纤长度的基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的波谷的波长值与温度的对应关系。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
本申请提出了一种基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，该曲率传感器基于线型马赫曾德尔干涉仪(IMZI)原理通过拉锥的方式极大的减少了传感器中光的衰减，衰减在8-12dB之间，其最大曲率敏感度可达174.02957nm/m-1，大大提高了光纤曲率传感器的灵敏度。此外，该传感器在30℃-140℃范围内对温度不敏感，这避免了温度、曲率的交叉敏感问题，有利于实际应用。
接下来结合附图来描述本申请提出的基于多芯光纤拉锥的曲率传感器。
实施例一：
如图1所示为本申请实施方式的一种基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，
该基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，依次包括：第一单模光纤区1、多芯光纤区2、拉锥微光纤区3、第二单模光纤区4；
第一单模光纤区由第一纤芯5以及其外部包覆的第一包层6组成，
第二单模光纤区由第二纤芯10以及其外部包覆的第二包层11组成；
多芯光纤区由多股纤芯以及多股纤芯的最外侧外包覆的包层组成，
其中，多股纤芯排布方式为：其中一根纤芯作为中心纤芯7，其余纤芯均匀环绕排布于中心纤芯的侧壁圆周上；
多芯光纤区形状为沿着其中心纤芯轴线方向从一端向另一端收缩的锥形结构，直径大的一端为锥头8，直径小的一端为锥尾9，第一单模光纤区的第一纤芯从锥头一端与多芯光纤区的中心纤芯连接；多芯光纤区的锥尾一端通过拉锥微光纤区与第二单模光纤区熔接。拉锥前多股纤芯余纤芯与中心纤芯平行。
该曲率传感器的工作机理：
光从第二单模光纤区输入，通过拉锥微光纤区将第二单模光纤区第二纤芯中的光耦合进入多芯光纤区。由于多芯光纤直径在多芯光纤区小于模场直径，因此光不再被限制在多芯光纤中心纤芯中传输，而是进入包层和其余纤芯中传输并激发高阶模式，最终耦合入单模光纤。由于基模与高阶模式的相对折射率不同，在传输过程中多芯光纤的中心纤芯光传输方向不变，由于多芯光纤区形状沿着其中心纤芯轴线方向从一端向另一端收缩为锥形结构，在其余纤芯中传输的光偏离中心纤芯轴线方向，在沿着锥形结构的锥面爬升过程中其余纤芯与中心纤芯中传输的光产生了对应光程差，从而在高阶模式再次耦合回第一单模光纤时产生干涉。
设入射光的电场强度为：
Ein＝Aexp[i(ωt-β0n0x)] (1)
其中，A为光波振幅；ω为频率；t为时间；β0为传播常数；n0为纤芯的有效折射率；x为光程。总光强为：
Figure BDA0003069874480000061
拉锥激发的高阶模式光强为：
If＝ξfI (3)
其中ξf为高阶模式光强与输入光强的比例系数。高阶模式耦合回基模时产生干涉，此时的光强为：
Figure BDA0003069874480000062
其中，λ为光波长，Δneff为基模与高阶模式的有效折射率之差，L为光程。
该方式下利用单模和多芯光纤直接熔接拉锥的方式，实现低损耗，强对比度的透射滤波器。该方式下：采用多芯光纤和单模光纤直接熔接，解决了光纤不连续连接的问题；另外，多芯光纤和单模光纤经过拉锥以后，由于拉锥后光场从微光纤纤芯直接泄露到包层然后和直接耦合入多芯光纤，这样就使得耦合进入多芯光纤的光场相对比于现有技术的结构损耗会小很多。由于光场经过多芯光纤传输在另一端的第一单模光纤区会形成干涉，由于进入多芯光纤的能量相比于其他结构强很多，因此干涉条纹具有较好的对比度，易于进行传感实验。
实施例二
接下来描述上述传感器的制备，以将七芯光纤为例，
该基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的制备方法，步骤包括：
首先将第一单模光纤、一定长度(如2.1cm长)的七芯光纤、第二单模光纤放置于光纤熔接机中，
将第一单模光纤的第一纤芯与七芯光纤的中心纤芯一端对齐，及将第二单模光纤的第二纤芯与七芯光纤的中心纤芯另一端对齐；
第一纤芯与七芯光纤的中心纤芯一端对齐处为第一熔接点，
第二单模光纤的第二纤芯与七芯光纤的中心纤芯另一端对齐处为第二熔接点，并使用光纤熔接机进行熔接形成光纤熔接体；
将该光纤熔接体放置于氢氧拉锥机上，并使第二熔接点放置于氢氧拉锥机的拉锥中心处，调整氢氧拉锥机中的氢氧气比例来调节拉锥速度，通过拉锥将七芯光纤拉成锥形结构并且在锥尾与第二单模光之间形成拉锥微光纤区；本实施方式中，拉锥时拉锥机的火焰扫速度为0.5-3.0mm/s，拉锥时固定台移动速度为0-0.5mm/s；优选拉锥机的火焰扫面速度和固定台移动速度分别为2.5mm/s和0.08mm/s，此时拉锥微光纤区长度为3.164mm，拉锥微光纤区直径为2μm。本实施方式中，
七芯光纤的截面如图2所示，其包层直径为150μm，纤芯直径为8μm，芯间距为42μm。此时光谱仪的透射谱及透射谱的FFT变换如图3a所示，在波长上表现出了强干涉，最高消光比为10.563dB。
图3b为透射谱的FFT变换图，可以看出高阶模式被激发，通过计算基模到高阶模的耦合效率为41.88％。该方式制备的曲率传感器对温度不敏感，对曲率却有着极高的灵敏度。通过电弧放电法和氢氧焰拉锥相结合的方法，制作出基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，该基于多芯光纤拉锥的曲率传感器属于具有低损耗的线型马赫曾德尔干涉仪。多芯光纤和单模光纤(Singlemode fiber,SMF)的熔接处在拉锥过程中，多芯光纤中各个纤芯中的光在耦合入单模光纤中时由于光程差而产生干涉，形成梳状峰。利用该基于多芯光纤拉锥的曲率传感器对温度和曲率进行测量，发现其在30℃-140℃范围内对温度最高灵敏度为0.01771nm/℃，曲率灵敏度却可达174.02957nm/m-1,避免了两者交叉影响的问题，且这是已知多芯光纤传感器中曲率灵敏度最高的。
接下结合试验数据描述曲率传感器的性能。
该曲率传感器对曲率变化进行测量时，将该基于多芯光纤拉锥的曲率传感器固定在两个移动台上，其中固定右侧的移动台，通过调节左侧移动台上的螺旋测微器来调节两个移动台之间的距离从而实现光纤曲率的变化，如图4所示。
光纤曲率的计算公式为：
Figure BDA0003069874480000081
其中，l0是两个移动台之间的距离，R是曲率半径，x是左侧移动台的位移，C是曲率。
图5a所示为七芯光纤长度2.1cm时曲率检测的透射谱变化。选定1547.8nm波谷作为检测波长，当弯曲曲率为0.04702m-1时对应波谷波长为1543.18nm，随着弯曲曲率的增加，该波谷会发生蓝移。
图5b为波谷的波长值与曲率的对应关系，从曲线中可以看出波长与曲率满足关系：
λ＝-98.06988C+1547.86764
波长值与曲率也具有线性关系，R2＝0.9987。测量精度为98.06988nm/m-1。
为验证该曲率灵敏度，分别测试了七芯光纤长度、拉锥微光纤区长度对曲率灵敏度的影响。
首先改变七芯光纤的长度分别为1.0cm、1.5cm、2.1cm、2.5cm，拉锥微光纤区长度在3.1mm-3.2mm之间进行实验，实验结果如图6所示，可以发现七芯光纤的长度与基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的灵敏度没有明显的关系。当七芯光纤长度为2.5cm时，有最高曲率灵敏度为105.58707nm/m-1。保持七芯光纤长度为2.1cm不变，拉锥微光纤区长度分别为3.164mm、3.52mm、3.862mm，实验结果如图7所示，随着拉锥微光纤区长度的增加，IMZI的曲率灵敏度显著上升。当拉锥微光纤区长度为3.862mm时，曲率灵敏度为174.02957nm/m-1。但在实际制备实验中，拉锥微光纤区长度过短无法产生明显的干涉，拉锥微光纤区长度过长会使基于多芯光纤拉锥的曲率传感器容易断裂，不利于实际应用。图6不同长度七芯光纤基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的波长与曲率的实验与拟合曲线。
图7为不同拉锥微光纤区长度基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的波长与曲率的实验与拟合曲线。
图8为温度传感实验***原理图，测量温度时1525～1575nm的宽带光源作为实验光源，通过恒温箱实现环境温度的改变，光谱分析实时监测透射谱变化。设定初始温度为140℃，逐渐降低温度至30℃，记录不同温度下所对应的透射谱。
图9a-9c为不同七芯光纤长度的基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的波谷的波长值与温度的对应关系。七芯光纤的长度分别1.1cm、1.5cm、2.1cm，拉锥微光纤区长度均为3.1mm-3.2mm。选定不同波长的波谷进行检测，随着温度的降低该波谷所对应的波长值会发生红移。通过实验可以发现该基于多芯光纤拉锥的曲率传感器对温度不敏感，在不同七芯光纤的长度下，其最高温度灵敏度仅为0.01771nm/℃。
图9a七芯光纤长度为1.1cm时波长与温度的实验与拟合曲线；
图9b七芯光纤长度为1.5cm时波长与温度的实验与拟合曲线；
图9c七芯光纤长度为2.1cm时波长与温度的实验与拟合曲线；
通过曲率和温度的实验发现该基于多芯光纤拉锥的曲率传感器在30℃-140℃范围内对温度不敏感，对曲率却有着极高的灵敏度，且通过增加锥区长度，可以进一步提高该基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的曲率灵敏度，当拉锥微光纤区长度为3.862mm时，曲率灵敏度可达174.02957nm/℃。且由于其极低的温度灵敏度，很好的避免了再实际应用中温度、曲率交叉影响的问题。
上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，其特征在于，依次包括：
第一单模光纤区、多芯光纤区、拉锥微光纤区及第二单模光纤区；
所述第一单模光纤区包括：第一纤芯，且所述第一纤芯的外部包覆有第一包层，
所述第二单模光纤区包括：第二纤芯，且所述第二纤芯的外部包覆有第二包层，
所述多芯光纤区包括：多股纤芯，所述多股纤芯配置成以其中一根纤芯作为中心纤芯，其余纤芯环绕排布于中心纤芯的侧壁圆周上，且所述多芯光纤区沿着所述中心纤芯的轴线方向从一端向另一端收缩的锥形结构，
所述第一纤芯连接所述多芯光纤区的中心纤芯，多芯光纤区的远离所述第一纤芯侧通过拉锥微光纤区与所述第二单模光纤区熔接。
2.如权利要求1所述的基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，其特征在于，
拉锥前所述多股纤芯配置成以其中一根纤芯作为中心纤芯，其余所述纤芯分别与所述中心纤芯平行。
3.如权利要求1所述的基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，其特征在于，所述多芯光纤区呈锥形结构，锥头侧的直径大于锥尾的直径。
4.如权利要求3所述的基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，其特征在于，
所述第一纤芯从所述锥头侧与所述中心纤芯连接。
5.如权利要求1所述的基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，其特征在于，
所述第二单模光纤区的与拉锥微光纤区熔接的侧呈锥形结构。
6.如权利要求1所述的基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，其特征在于，所述拉锥微光纤区配置有包层，没有纤芯。
7.如权利要求1所述的基于多芯光纤拉锥的曲率传感器，其特征在于，
所述第一包层的外径大于排布成所述多股纤芯的直径。
8.一种基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将第一单模光纤、多芯光纤、第二单模光纤放置于光纤熔接机中，
将第一单模光纤的第一纤芯与多芯光纤的中心纤芯一端对齐，并将第二单模光纤的第二纤芯与多芯光纤的中心纤芯另一端对齐；
第一纤芯与多芯光纤的中心纤芯一端对齐处为第一熔接点、
第二单模光纤的第二纤芯与多芯光纤的中心纤芯另一端对齐处为第二熔接点，使用光纤熔接机进行熔接形成光纤熔接体；
将光纤熔接体放置于氢氧拉锥装置上，其中第二熔接点放置于氢氧拉锥机的拉锥中心处，调整氢氧拉锥机中的氢氧气比例来调节拉锥速度，通过拉锥将多芯光纤拉成锥形结构并且在锥尾与第二单模光之间形成拉锥微光纤区。
9.如权利要求8所述的基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的制备方法，其特征在于，拉锥时拉锥机的火焰扫速度为0.5-3.0mm/s。
10.如权利要求8所述的基于多芯光纤拉锥的曲率传感器的制备方法，其特征在于，拉锥时固定台移动速度为0-0.5mm/s。
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CN115931021A (zh) * 2022-12-19 2023-04-07 北京大学长三角光电科学研究院 一种光纤传感器、其制备方法及传感装置

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