本發(fā)明屬于溫度檢測領域，具體涉及一種高靈敏度緊湊m-z(馬赫-曾德爾)干涉溫度傳感器及其制作方法。

背景技術：

光纖m-z干涉?zhèn)鞲衅魇且环N應用非常廣泛的全光纖干涉器件，其具有優(yōu)異的光學濾波特性。m-z干涉?zhèn)鞲衅骶哂袃蓚€干涉臂，一路稱為參考臂，另一路稱為探測臂，在傳感應用中，將探測臂放置待測環(huán)境中，干涉臂中傳輸的光受待測環(huán)境影響，與參考臂中的光之間產生相位差，導致干涉條紋發(fā)生變化，通過干涉條紋的變化探測待測量的變化。但傳統(tǒng)m-z干涉?zhèn)鞲衅鲗儆诜至⒃缮姹叟c傳感臂相互分離，其具有一定的局限性，包括：(1)體積大，在局域小環(huán)境中的應用受到限制；(2)參考臂與干涉臂容易受除所測物理量外不一致環(huán)境因素的影響，降低測量的準確性。在纖式光纖馬赫-曾德爾干涉?zhèn)鞲衅髋c傳統(tǒng)分立式m-z干涉?zhèn)鞲衅鞑煌?，其參考臂與干涉臂集成于單根光纖上，其具有結構簡單、易于操作、靈敏度高等優(yōu)點，因而逐步成為新一代傳感器的研究方向之一，被廣泛應用于生物、化學和物理等傳感領域。

然而，目前的在纖式m-z干涉?zhèn)鞲衅鞔嬖诘墓餐瑔栴}是傳播纖芯模與包層模的路徑具有很小的折射率差，且其熱光系數與熱膨脹系數較小，基于以上所述方法制作的光纖溫度傳感器的長度雖然可以為厘米甚至毫米量級，但其靈敏度較低，通常限制在每攝氏度干涉譜漂移量僅為皮米量級，這在一定程度上限制了其在溫度測量的實際應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種高靈敏度緊湊m-z干涉溫度傳感器及其制作方法，以解決目前m-z干涉溫度傳感器存在的靈敏度較低的問題。

根據本發(fā)明實施例的第一方面，提供一種高靈敏度緊湊m-z干涉溫度傳感器，包括依次連接的輸入單模光纖、微結構光纖和輸出單模光纖，所述微結構光纖置于待測環(huán)境下，所述輸入單模光纖的纖芯分別與所述微結構光纖的纖芯以及填充有高熱光系數介質的空氣孔連接，以使所述輸入單模光纖輸出光的一部分通過所述微結構光纖的纖芯傳輸給所述輸出單模光纖，另一部分光通過所述微結構光纖中填充有高熱光系數介質的空氣孔傳輸給所述輸出單模光纖；

所述輸出單模光纖將接收到的光傳輸給光譜分析儀進行光譜分析，從而根據光譜分析結果確定待測環(huán)境下的溫度。

在一種可選的實現(xiàn)方式中，所述輸入單模光纖傳輸給所述微結構光纖中填充有高熱光系數介質的空氣孔的光量大于傳輸給所述微結構光纖中纖芯的光量。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述輸入單模光纖和所述輸出單模光纖對稱設置在所述微結構光纖的兩側。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述微結構光纖表面還設置有與所述空氣孔連通，并用于將所述高熱光系數介質填充至所述空氣孔的微型孔。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述微型孔上還設有密封結構。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述高熱光系數介質為異丙醇溶液或酒精溶液。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述輸入單模光纖和輸出單模光纖的纖芯直徑為8.2μm，包層直徑為125μm；微結構光纖纖芯直徑：14μm，包層直徑為125μm，空氣孔直徑范圍為14μm-58μm，所述微型孔的直徑為15μm，深度為35μm。

根據本發(fā)明實施例的第一方面，提供一種高靈敏度緊湊m-z干涉溫度傳感器的制作方法，包括：

將輸入單模光纖和輸出單模光纖分別偏置熔接在微結構光纖的兩側，以使所述輸入單模光纖的纖芯分別與微結構光纖中纖芯和對應空氣孔連接；

在所述微結構光纖的表面上制成與所述對應空氣孔中至少一個連通的微型孔；以及，向所述微型孔內填充高熱光系數介質，以使所述高熱光系數介質填充至對應空氣孔內。

在一種可選的實現(xiàn)方式中，在向所述微型孔內填充高熱光系數介質之后，所述方法還包括：對所述微型孔進行密封處理。

本發(fā)明的有益效果是：

1、由于微結構光纖中纖芯的熱光系數較小，因此本發(fā)明通過在微結構光纖的空氣孔中填充高熱光系數介質，使得微結構光纖中纖芯與填充在空氣孔內介質的熱光系數存在數量級的差異，這樣當輸入單模光纖的光纖分別與微結構光纖的纖芯以及填充有高熱光系數介質的空氣孔連接時，輸入單模光纖輸入的光將分成兩部分分別進入微結構光纖的纖芯以及填充有高熱光系數介質的空氣孔，因此沿微結構光纖的纖芯以及填充有高熱光系數介質的空氣孔傳輸的兩束光存在較大的相位差，在輸出單模光纖中將形成明顯的雙光束干涉效應，從而提高m-z干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度，并使得m-z干涉?zhèn)鞲衅鞲泳o湊，基于這種干涉效應可以確定微結構光纖所處待測環(huán)境下的溫度；

2、由于相比于微結構光纖中的纖芯，微結構光纖中空氣孔內的光耗能更大，因此本發(fā)明通過使所述輸入單模光纖傳輸給所述微結構光纖中填充有高熱光系數介質的空氣孔的光量大于傳輸給所述微結構光纖中纖芯的光量，可以使雙光束干涉的兩束光能量相同，從而使m-z傳感器具有最大的干涉對比度，方便溫度測量；

3、本發(fā)明通過使所述輸入單模光纖和所述輸出單模光纖可以對稱設置在所述微結構光纖的兩側，可以保證將對應量的光準確傳輸給光譜分析儀進行光譜分析；

4、本發(fā)明通過設置微型孔，可以將高熱光系數介質填充至微結構光纖空氣孔內；

5、本發(fā)明通過在微型孔上設置密封結構，可以避免填充至微結構光纖空氣孔內的高熱光系數介質溢出。

由此，本發(fā)明通過在微結構光纖中注入高熱光系數的液體，相互干涉的兩臂具有較高的熱光系數差值，使得制作出的光纖溫度傳感器具有較高靈敏度。本發(fā)明作為傳感頭的微結構光纖長度僅為百微米級別，使得該傳感器相對于其它傳感器具有結構緊湊的特點。本發(fā)明僅有少量液體封裝于光纖內，安全可靠。

附圖說明

圖1是本發(fā)明高靈敏度緊湊m-z干涉溫度傳感器的一個實施例立體圖；

圖2是本發(fā)明高靈敏度緊湊m-z干涉溫度傳感器的一個實施例側視圖；

圖3是本發(fā)明微結構光纖的一個實施例截面剖視圖；

圖4是本發(fā)明輸入/輸出單模光纖與微結構光纖中纖芯的偏置熔接示意圖；

圖5是本發(fā)明高靈敏度緊湊m-z干涉溫度傳感器的制作方法的一個實施例流程圖；

圖6是本發(fā)明在不同溫度下透射譜波長變化圖；

圖7是本發(fā)明光波長隨溫度變化漂移圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明實施例中的技術方案，并使本發(fā)明實施例的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明實施例中技術方案作進一步詳細的說明。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術語“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。

結合圖1至圖3所示，該高靈敏度緊湊m-z干涉?zhèn)鞲衅骺梢园ㄒ来芜B接的輸入單模光纖1、微結構光纖2和輸出單模光纖3，所述微結構光纖2置于待測環(huán)境下，所述輸入單模光纖1的纖芯11分別與所述微結構光纖2中纖芯21以及填充有高熱光系數介質的空氣孔22連接，以使所述輸入單模光纖1輸出光的一部分通過所述微結構光纖2中纖芯21傳輸給所述輸出單模光纖3，另一部分光通過所述微結構光纖2中填充有高熱光系數介質的空氣孔22傳輸給所述輸出單模光纖3；所述輸出單模光纖3將接收到的光傳輸給光譜分析儀進行光譜分析，從而根據光譜分析結果確定待測環(huán)境下的溫度。

在使用本發(fā)明時，可以先將寬帶光源接至輸入單模光纖1，輸出單模光纖3接至光譜分析儀，然后將微結構光纖2置于待測環(huán)境中，輸入單模光纖1輸入的光一部分從其纖芯傳輸給微結構光纖2的纖芯21，再沿著微結構光纖2的纖芯21傳輸給輸出單模光纖3，另一部分從其纖芯傳輸給微結構光纖2中填充有高熱光系數介質的空氣孔22，再沿著填充有高熱光系數介質的空氣孔22傳輸給輸出單模光纖3，輸出單模光纖3將接收到的光傳輸給光譜分析儀進行光譜分析，根據光譜分析結果就可以確定待測環(huán)境下的溫度。

由上述實施例可見，由于微結構光纖中纖芯的熱光系數較小，因此本發(fā)明通過在微結構光纖的空氣孔中填充高熱光系數介質，使得微結構光纖中纖芯與填充在空氣孔內介質的熱光系數存在數量級的差異，這樣當輸入單模光纖的光纖分別與微結構光纖中纖芯以及填充有高熱光系數介質的空氣孔連接時，輸入單模光纖輸出光將分成兩部分分別進入微結構光纖纖芯以及填充有高熱光系數介質的空氣孔，因此沿微結構光纖纖芯以及沿填充有高熱光系數介質的空氣孔傳輸的兩束光存在較大的相位差，在輸出單模光纖中將形成明顯的雙光束干涉效應，從而提高m-z干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度，并使m-z干涉?zhèn)鞲衅鞲泳o湊，基于這種干涉效應可以確定微結構光纖所處待測環(huán)境下的溫度。

另外，所述輸入單模光纖1傳輸給所述微結構光纖2中填充有高熱光系數介質的空氣孔22的光量大于傳輸給所述微結構光纖2中纖芯21的光量。由于相比于微結構光纖中的纖芯，微結構光纖中空氣孔內的光耗能更大，因此本發(fā)明通過使所述輸入單模光纖傳輸給所述微結構光纖中填充有高熱光系數介質的空氣孔的光量大于傳輸給所述微結構光纖中纖芯的光量，可以使雙光束干涉的兩束光能量相同，從而使m-z傳感器具有最大的干涉對比度，方便溫度測量。為了保證將對應量的光準確傳輸給光譜分析儀進行光譜分析，所述輸入單模光纖1和所述輸出單模光纖3可以對稱設置在所述微結構光纖的兩側。

在填充高熱光系數介質時，該高熱光系數介質可以是熱光系數大于微結構光纖中纖芯熱光系數的任意介質，例如異丙醇溶液(純度：99.5％；熱光系數：-4.5×10-4/k)或酒精溶液(純度：99.5％；熱光系數：-3.94×10-4/k)等。為了將高熱光系數介質填充至微結構光纖空氣孔內，在所述微結構光纖2表面還設置有與所述空氣孔連通的微型孔23；為了保證高熱光系數介質快速均勻地填充至微結構光纖空氣孔內，在微結構光纖2的兩端可以分別開設微型孔23；為了避免填充至微結構光纖空氣孔內的高熱光系數介質溢出，所述微型孔23上還可以設有密封結構24。

本實施例中，以輸入單模光纖1和輸出單模光纖2的纖芯直徑為8.2μm，包層直徑為125μm，微結構光纖為柚子型，且其纖芯直徑為14μm，空氣孔直徑范圍為58μm，包層直徑為125μm為例，輸入單模光纖1和輸出單模光纖3對稱偏置熔接在微結構光纖2的兩側，偏置距離(即輸入單模光纖1和輸出單模光纖3表面與微結構光纖2表面之間的距離)為7.5μm。由于無論是單模光纖，還是微結構光纖，其纖芯都位于其中心位置處，因此當單模光纖偏置熔接在微結構光纖上時，對應地單模光纖與微結構光纖中的纖芯將發(fā)生偏離。結合圖4所示，當單模光纖與微結構光纖非偏置熔接時，單模光纖的纖芯位于a位置處，當單模光纖與微結構光纖偏置熔接且偏置距離為7.5μm時，單模光纖的纖芯位于b位置處，通過數學計算，可以得出當單模光纖的纖芯位于b位置處時，單模光纖纖芯與微結構光纖纖芯的接觸截面長度為3.6μm，單模光纖纖芯與微結構光纖空氣孔的接觸截面長度為4.6μm，由此可見輸入單模光纖1傳輸給所述微結構光纖2中填充有高熱光系數介質的空氣孔22的光量大于傳輸給所述微結構光纖2中纖芯21的光量。在開設微型孔23時，微型孔的直徑可以為15μm，深度可以為35μm，由于微結構光纖的包層直徑為125μm，纖芯直徑為14μm，空氣孔直徑范圍為58μm，因此當微型孔的深度為35μm時，微型孔可以與空氣孔連通，并且當微型孔的直徑為15μm時，微型孔可以與兩個空氣孔連通，這樣有助于一次性將更多的高熱光系數介質填充至空氣孔中。

參見圖5，為本發(fā)明高靈敏度緊湊m-z干涉溫度傳感器的制作方法的一個實施例流程圖，可以包括以下步驟：

步驟s501、將輸入單模光纖和輸出單模光纖分別偏置熔接在微結構光纖的兩側，以使輸入單模光纖纖芯分別與微結構光纖中纖芯和對應空氣孔連接。

本實施例中，首先可以采用optibpm光學軟件仿真出纖芯基模和包層模的能量差值最小時，輸入/輸出單模光纖與微結構光纖的偏置距離，此時m-z干涉?zhèn)鞲衅骶哂休^好的光譜特性。以輸入單模光纖1和輸出單模光纖2的纖芯直徑為8.2μm，包層直徑為125μm，微結構光纖為柚子型，且其纖芯直徑為14μm，空氣孔直徑范圍為58μm，包層直徑為125μm為例，實驗中，使用光纖切割刀切取長度為百微米長度的微結構光纖，設定商用手動熔接機的偏置距離7.5μm，利用手動熔接的方式將輸入單模光纖和輸出單模光纖分別與微結構光纖的兩端同方向偏置熔接，熔接好的光纖m-z干涉?zhèn)鞲衅鞯母缮孀V對比度可達15db以上。

步驟s502、在所述微結構光纖的表面上制成與所述對應空氣孔中至少一個連通的微型孔。

本實施例中，在制作微型孔時，沿著微結構光纖的偏置方向，利用790nm的飛秒激光脈沖在微結構光纖兩側的表面分別制作出一個直徑為15μm、深度為35μm的微型孔，使得充當一個干涉臂的微結構空氣孔與外界空氣互聯(lián)。由于微孔的直徑很小，幾乎沒有能量泄露到外界的空氣中，因此光纖m-z干涉?zhèn)鞲衅鞯母缮孀V在加工微孔前后幾乎沒有變化。

步驟s503、向所述微型孔內填充高熱光系數介質，以使所述高熱光系數介質填充至對應空氣孔內。在向所述微型孔內填充高熱光系數介質之后，所述方法還包括：對所述微型孔進行密封處理。

本實施例中，在填充高熱光系數介質時，將帶有微型孔的光纖m-z干涉?zhèn)鞲衅鞣胖迷谧⒂挟惐蓟蚓凭呐囵B(yǎng)皿中，利用毛細浸潤作用，將異丙醇溶液或酒精溶液填充至微結構光纖的空氣孔中并使用紫外膠封住微孔防止溶液揮發(fā)。這樣，輸入單模光纖的出射光一部分耦合進入微結構光纖的纖芯，另一部分耦合進入注滿高熱光系數液體的空氣孔，在溫度變化時，由于丙醇或酒精與微結構光纖纖芯的熱光系數差別較大，因此兩路干涉光的光程差會發(fā)生較大變化，從而透射譜會發(fā)生較大漂移，從而實現(xiàn)高靈敏度的溫度傳感。另外，為了保證將對應光量準確傳輸給光譜分析儀進行光譜分析，輸入單模光纖和所述輸出單模光纖可以對稱設置在所述微結構光纖的兩側。

由上述實施例可見，由于微結構光纖中纖芯的熱光系數較小，因此本發(fā)明通過在微結構光纖的空氣孔中填充高熱光系數介質，使得微結構光纖中纖芯與填充在空氣孔內介質的熱光系數存在數量級的差異，這樣當輸入單模光纖的光纖分別與微結構光纖中纖芯以及填充有高熱光系數介質的空氣孔連接時，輸入單模光纖輸出光將分成兩部分分別進入微結構光纖的纖芯以及填充有高熱光系數介質的空氣孔，因此沿微結構光纖的纖芯以及填充有高熱光系數介質的空氣孔傳輸的光存在較大的相位差，在輸出單模光纖中將形成明顯的雙光束干涉效應，從而提高m-z干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度，并使m-z干涉?zhèn)鞲衅鞲泳o湊，基于這種干涉效應可以確定微結構光纖所處待測環(huán)境下的溫度。

參見圖6，為本發(fā)明在不同溫度下透射譜波長變化圖。本實施例以微結構光纖長度為400μm、填充的液體為異丙醇的干涉結構為例。參見圖7，為發(fā)明光波長隨溫度變化漂移圖。圖6中是通過追蹤干涉極小值對應的波長隨溫度變化的大小來確定溫度大小，就是選擇干涉極小值點作為觀測對象，不同溫度下對應不同的干涉極小值波長，下面的線形圖7可以很好體現(xiàn)干涉譜隨溫度變化的規(guī)律。從圖7可以看出，y表示干涉極小值波長，x表示溫度，并且y與x成正比關系，其中當溫度呈現(xiàn)上升趨勢時，y與x之間的關系可以為：y＝1452.09+3.55x，當溫度呈現(xiàn)下降趨勢時，y與x之間的關系可以為：y＝1448.84+3.64x。

本領域技術人員在考慮說明書及實踐這里公開的發(fā)明后，將容易想到本發(fā)明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由下面的權利要求指出。

應當理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經描述并在附圖中示出的精確結構，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權利要求來限制。