一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针

本发明涉及的是一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针,可用于对温度精准测量，属于光纤传感。

背景技术：

1、外界参数如温度、折射率、气压等发生的改变通过光的强度、相位、偏振、频率作用在传感器的输出光中。一般来说，外界参数的变化直接作用在光纤传感器上，把信息间接加载到传感器的输出光谱中。光纤传感技术经过数十年的发展，目前已经可以精确探测多种物理量和化学量，例如温度、折射率、应变、湿度、气压、ph值等。光纤传感器的种类繁多，基于不同原理，主要分为干涉仪类型的法布里-珀罗干涉仪(fabry-perot interferometer，fpi)、马赫-曾德干涉仪(mach-zehnder interferometer，mzi)、michelson干涉仪、sagnac干涉仪，光栅型的光纤布拉格光栅(fiber bragg grating，fbg)。其中基于法布里-珀罗(fabry-perot，fp)腔的fpi传感器因为结构紧凑、灵敏度高，近年来，被广泛的应用于各种环境变量的测量，比如温度，气压，折射率，应力等。

2、自聚焦透镜是一种折射率分布沿径向渐变的柱状特殊光学透镜。由于其折射率沿光轴横截面的径向方向变化，且相对光轴呈旋转对称，因此具有聚焦和成像的特征。光束通过自聚焦透镜与普通透镜的传播方式不同，光线在普通透镜中以直线传播，在自聚焦透镜中则以平滑曲线传播，通过透镜自身折射率的连续偏折变化实现光线平滑且连续的会聚。如果自聚焦透镜由梯度折射率光纤制成，该透镜又称为梯度折射率光纤透镜或自聚焦光纤透镜，它不仅有自聚焦透镜的端面是平面的特点，而且能与普通的单模光纤(1)通过熔接的方式直接耦合，从而制成超小(亚毫米级)的自聚焦透镜，即超小自聚焦光纤透镜。

3、游标效应是一种有效提高测量精度的技术手段，由具有微小刻度差值的主尺和副尺(游标尺)构成，通过两个刻度尺的重叠部分来实现高精度测量。近来，游标效应的高精度测量原理被运用到制作增敏型光纤传感器上。与游标卡尺类似，两个具有微小的自由光谱范围(fsr)差值的传感和参考干涉仪被用来实现光学游标效应。通过让传感元件受到外界信号的调制发生光谱漂移，可以构成游标卡尺中的副尺；让参考元件始终保持不受到外界待测信号的干扰，可以构成游标卡尺中的主尺。他们叠加出的光谱是各自独立的光谱的乘积，由一系列幅值呈周期性排列的高频信号干涉条纹构成，一个低频率的包络信号叠加在所有干涉峰的顶点位置。包络的顶点位置对应游标卡尺中相互重叠的两条刻度线，只有在传感与参考元件的干涉峰完全重叠或者相互很近的位置才会出现包络峰。一旦传感元件受到外界参量的影响，则通过监测包络的漂移可以将灵敏度放大到一个数量级以上。

4、这些游标增敏的传感器结构通常是采用级联传感和参考元件的方式获得的，常用的干涉传感元件有法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德干涉仪、萨格奈克干涉仪等。2009年，daoxin dai将两个存在微小差值fsr的环形谐振器级联用于液体折射率的增敏测量，经过游标效应放大后灵敏度达到了105nm/riu量级。在2010年，tom claes等人利用级联环形谐振器进行折射率传感并全面推导了光学游标效应的相关规律。rongrong xu等人在2012年提出级联光纤环形谐振器进行游标效应增敏的应变测量，灵敏度高达0.0129nm-1/με。yongzhao等人在2016年提出一种级联fpi气体流量传感器，灵敏度提高了9.57倍。yuqiang yang等人在2017年提出，利用基于毛细管光纤的fpi作为参考干涉仪，将单个光纤萨格纳克干涉仪的灵敏度从-1.4nm/℃提高到了-29.0nm/℃。jun deng等人在2019年提出使用激光刻写的方式产生级联法布里-珀罗腔的效果，来进行高灵敏度的温度测量。同年，tong nan等人使用耦合器连接两个法布里-珀罗腔组成并联型的游标效应应变传感器，其灵敏可达-43.2pm/u。

5、上述发明还存在一定的缺陷与不足：制备过程复杂，例如复杂的镀膜方式制作光纤微腔，设备昂贵且成功率低等等。

6、为了解决上述问题，实现高传感精度的光纤传感技术，本发明公开了一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针，由单模光纤(1)、渐变折射率多模光纤(2)、空芯光纤(3)和实芯光纤(4)组成。所述组成中，单模光纤(1)和渐变折射率多模光纤(2)构成光纤准直器，将单模光纤(1)基模扩束并准直，再熔接上空芯光纤(3)，空芯光纤(3)将扩束的光场分割成两个部分向前传输，一部分光进入空芯光纤(3)的空气腔内，一部分光进入空芯光纤(3)的包层中。其中，空芯光纤(3)空气腔内传输的两路光会在空气孔腔的两个界面发生菲涅尔反射，形成法布里珀罗腔；空芯光纤(3)包层中传输的光经过端面反射后返回渐变折射率多模光纤(2)内传输，依据光路可逆的原理，三束反射光会反向传输，以较高效率耦合回单模光纤(1)内，发生干涉的游标效应，提高检测的灵敏度。本发明通过设置渐变折射率多模光纤准直器，使输出的光束为准直光束，并扩大了输出光束的直径，能够获得较大的模场面积，有效地提高了系统的耦合效率。

技术实现思路

1、针对上述现状，本发明的提供了一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针，用于对温度传感。

2、所述温度传感探针是由单模光纤(1)、渐变折射率多模光纤(2)、空芯光纤(3)和实芯光纤(4)组成。

3、本发明是这样实现的：在所述组成中，单模光纤(1)和渐变折射率多模光纤(2)构成光纤准直器，将单模光纤(1)基模扩束并准直，再熔接上空芯光纤(3)，空芯光纤(3)将扩束的光场分割成两个部分向前传输，一部分光进入空芯光纤(3)的空气腔内，一部分光进入空芯光纤(3)的包层中。其中，空芯光纤(3)空气腔内传输的两路光会在空气孔腔的两个界面发生菲涅尔反射，形成法布里珀罗腔；空芯光纤(3)包层中传输的光经过端面反射后返回渐变折射率多模光纤(2)内传输，依据光路可逆的原理，三束反射光会反向传输，以较高效率耦合回单模光纤(1)内，发生干涉的游标效应，提高检测的灵敏度。

4、本发明通过设置渐变折射率多模光纤准直器，使输出的光束为准直光束，并扩大了输出光束的直径，能够获得较大的模场面积，有效地提高了系统的耦合效率，温度传感探针结构如图1，准直结构光路如图2所示。

5、如图所示，该传感器由一段smf熔接一段gif后，再熔接空芯一段空芯光纤(3)和实芯光纤(4)制成，渐变折射率多模光纤(2)纤芯与空气的折射率相差较大，形成第一个反射面m1，在空芯光纤(3)的尾端熔接一段实芯光纤(4)，空芯光纤(3)和实芯光纤(4)之间的折射率不同，又形成了两个反射面m2、m3。当单模光纤(1)内入射一束光，经过反射面m1、m2和m3，其中反射面m1与m2之间的空气形成一个f-p腔，称为fpi1，长度为l1，反射面m2与m3之间形成第二个f-p腔，称为fpi2，长度为l2，反射面m1与m3形成第三个f-p腔，称为fpi3，长度为l1+l2。这样就形成了一个三面级联反射式的光纤温度传感器。该传感结构的三束光的模型可用图3表示。

6、此模型由两个级联得fpi腔构成，可以看成是m1、m2和m 3构成的三光束干涉器件。当一束光经过这三个反射面时，分别发生发射与透射，干涉情况如图所示，假设入射光为e0，入射光e0在界面m1处发生反射和透射，生成的透射光为e2i，反射光为e1。透射光e2i在第二个反射面m2处再次进行反射与透射，生成的透射光为e3i，反射光为e2r。同样地，透射光e3i在反射面m3处进行反射与透射，生成的反射光为e3r。假设a1、a2、a3分别为三个面的透过损失，k1、k2、k3分别为光在第1个腔、第2个腔内传播时的损耗。

7、入射光e0经过端面m1时，损耗为a1，产生的透射光e2i和反射光e1。

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11、透射光e2i在c1腔内传播，在腔内的损耗为k1，损耗后的光能为e’2i，经过第二个反射面m2，损耗为a2，产生的透射光为e3i，反射光e2r，a为传播常数，e2r在c1腔内损耗后的光能为e’2r，e’2r重新透过m1反射面后产生透射光e2。

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19、透射光e3i在c2腔内传播，在腔内的损耗为k2，损耗后的光能为e’3i，经过反射面m3后的反射光为e3r，e3r在c2腔内传播，损耗后的光能为e’3r，e’3r重新透过m2反射面产生透射光e32i，e32i在c1腔内损耗后的光能为e’32i,e’32i重新透过m1反射面产生透射光e3。

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25、因此e1、e2、e3三束光干涉的反射强度为：

26、e＝e1+e2+e3 (16)

27、对这个公式积分得到三束光干涉的反射光光强：

28、

29、在公式中，其中，λ为光在真空中的波长，和分别是光在c1腔和c2腔内传输时产生的相位偏移，n为腔内介质的有效折射率。

技术特征：

1.一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针，其特征是：由单模光纤(1)、渐变折射率多模光纤(2)、空芯光纤(3)和实芯光纤(4)组成。所述组成中，单模光纤(1)和渐变折射率多模光纤(2)构成光纤准直器，将单模光纤(1)基模扩束并准直，再熔接上空芯光纤(3)，空芯光纤(3)将扩束的光场分割成两个部分向前传输，一部分光进入空芯光纤(3)的空气腔内，一部分光进入空芯光纤(3)的包层中。其中，空芯光纤(3)空气腔内传输的两路光会在空气孔腔的两个界面发生菲涅尔反射，形成法布里珀罗腔；空芯光纤(3)包层中传输的光经过端面反射后返回渐变折射率多模光纤(2)内传输，依据光路可逆的原理，三束反射光会反向传输，以较高效率耦合回单模光纤(1)内，发生干涉的游标效应，提高检测的灵敏度。

2.根据权利要求书1所述的一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针。其特征是：所述渐变折射光纤准直器由单模光纤(1)和渐变折射率多模光纤(2)构成，其中单模光纤(1)为不限定长度，渐变折射率多模光纤(2)须达到设定的长度(即1/4节距)，使渐变折射率多模光纤(2)射出的光为平行光，以满足光线扩束准直的要求。

3.根据光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针。其特征是：所述渐变折射光纤的折射率分布tu在其横截面纤芯区折射率呈抛物线分布，中心轴折射率最大，并沿直径向外折射率逐渐减少。

4.根据权利要求书1所述的一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针。其特征是：所述系统中的干涉为迈克尔逊式反射干涉。

5.根据权利要求书1所述的一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针。其特征是：所述系统中的干涉仪为法布里-珀罗干涉仪。

6.根据权利要求书1所述的一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针。其特征是：空芯光纤(3)将扩束的光场分割成两个部分向前传输，一部分光进入空芯光纤(3)的空气腔内，一部分光进入空芯光纤(3)的包层中。其中，空芯光纤(3)空气腔内传输的两路光会在空气孔腔的两个界面发生菲涅尔反射，形成法布里珀罗腔；空芯光纤(3)包层中传输的光经过端面反射后返回渐变折射率多模光纤(2)内传输，依据光路可逆的原理，三束反射光会反向传输，以较高效率耦合回单模光纤(1)内，发生干涉的游标效应。

7.根据权利要求书1所述的一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针。其特征是：本结构基于单模光纤(1)-渐变折射率多模光纤(2)-空芯光纤(3)-实芯光纤(4)三面反射式传感器，其中，渐变折射率多模光纤(2)与空芯光纤(3)的熔接端面为m1，空芯光纤(3)与实芯光纤的熔接端面为m2，实芯光纤另一端为m3，其中，m1和m2之间的空气腔为fp1，腔长为l1，m2和m3的中的包层形成fp2，腔长为l2。

8.根据权利要求书1所述的一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针。其特征是：所述参考腔与传感腔形成的光学游标效应的放大系数光学游标效应的放大倍数m可以表示为：

9.根据权利要求书1所述的一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针。其特征是：使用热膨胀系数大的pdms填充空气腔尾端微孔。随着温度的升高，pdms的折射率会降低，沿光纤方向的pdms填充物会扩展。

10.一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针的制备方法。其特征是：包括以下方法：

技术总结
本发明提供的是一种基于微光纤准直器的迈克尔逊干涉仪式光纤温度传感探针，其特征是：它由单模光纤(1)、渐变折射率多模光纤(2)、空芯光纤(3)和实芯光纤(4)组成。所述组成中，单模光纤(1)和渐变折射率多模光纤(2)构成光纤准直器，将单模光纤(1)基模扩束并准直，再熔接上空芯光纤(3)，空芯光纤(3)将扩束的光场分割成两个部分向前传输，一部分光进入空芯光纤(3)的空气腔内，一部分光进入空芯光纤(3)的包层中。其中，空芯光纤(3)空气腔内传输的两路光会在空气孔腔的两个界面发生菲涅尔反射，形成法布里珀罗腔；空芯光纤(3)包层中传输的光经过端面反射后返回渐变折射率多模光纤(2)内传输，依据光路可逆的原理，三束反射光会反向传输，以较高效率耦合回单模光纤(1)内，发生干涉的游标效应，提高检测的灵敏度。本发明通过设置渐变折射率多模光纤准直器，使输出的光束为准直光束，并扩大了输出光束的直径，能够获得较大的模场面积，有效地提高了系统的耦合效率。本发明可以用于温度传感领域。

技术研发人员：马雅倩,杨世泰,苑立波
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23