本發(fā)明涉及一種利用光纖端面腐蝕制作纖芯氣泡干涉結(jié)構(gòu)對(duì)溫度和折射率同時(shí)進(jìn)行測(cè)量的方法，寬帶光源作為光源，采用摻雜稀土元素的摻雜光纖作為光纖激光器的增益介質(zhì)，結(jié)合一支波分復(fù)用器(wavelengthdivisionmultiplexer,wdm)、單模光纖(singlemodefiber,smf)、溫控裝置(temperaturecontrol)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的標(biāo)定以及測(cè)量。

背景技術(shù)：

全光纖化的傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)測(cè)試量敏感、傳輸信道多等優(yōu)勢(shì)廣泛地應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信、光學(xué)加工等領(lǐng)域。通過光纖端面微加工技術(shù)或搭建具有干涉結(jié)構(gòu)的全光纖傳感器，在泵浦源作用下，輸出具有梳狀譜圖樣的干涉譜曲線。細(xì)芯光纖馬赫-曾德光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)由一段細(xì)芯光纖熔接在兩段芯徑相對(duì)較粗的摻雜稀土光纖中，摻雜稀土光纖也被用作為傳感器的增益介質(zhì)。2011年范林勇等人設(shè)計(jì)了一種基于雙芯光纖的馬赫-曾德干涉儀，應(yīng)用于溫度和應(yīng)變量的測(cè)量，干涉條紋襯幅比約為10dbm，條紋間隔約為2nm。2013年鄒卉等人用兩支3db耦合器制成馬赫-曾德干涉系統(tǒng)，結(jié)合雙芯光纖，構(gòu)成雙級(jí)結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德干涉儀，條紋襯幅比約為30dbm。光纖馬赫-曾德干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、條紋襯比度高、梳狀譜密集等優(yōu)勢(shì)，常被用于光纖傳感領(lǐng)域。

在纖芯中制作氣泡使得纖芯有效折射率發(fā)生變化，在纖芯中傳輸?shù)墓饨?jīng)過氣泡，光程發(fā)生改變，產(chǎn)生模間干涉，由于在一根光纖就能實(shí)現(xiàn)多種模式之間的干涉，簡(jiǎn)化了光路，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且損耗低、不受外界干擾，具有很好的發(fā)展前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種采用光纖端面腐蝕的溫度和應(yīng)變測(cè)試方法，包括步驟：a)對(duì)光纖端面進(jìn)行腐蝕處理；b)將腐蝕處理的光纖端面與切平面的光纖相對(duì)熔接；c)熔接至孔槽發(fā)生膨脹，在纖芯位置產(chǎn)生氣泡；d)通過光譜儀對(duì)經(jīng)過氣泡傳輸光發(fā)生變化的光程進(jìn)行觀測(cè)，產(chǎn)生梳狀譜曲線；e)應(yīng)用所述梳狀譜曲線進(jìn)行傳感測(cè)試；f)當(dāng)干涉儀受到外界影響導(dǎo)致氣泡結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，光程差發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉梳狀譜改變，干涉條紋產(chǎn)生移動(dòng)；g)將氣泡傳感器和光纖光柵熔接在一起，可同時(shí)對(duì)溫度以及應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試。

優(yōu)選地，所述光纖為摻雜稀土元素的增益光纖。

優(yōu)選地，所述步驟a的腐蝕處理為利用40％的氫氟酸溶液在普通光纖纖芯腐蝕出凹槽。

優(yōu)選地，所述步驟b的熔接過程中，需要控制熔接放電強(qiáng)度，避免放電過大造成熔接塌陷，影響氣泡的形成。

優(yōu)選地，所述步驟g中當(dāng)溫度和應(yīng)變同時(shí)變化時(shí)，氣泡干涉結(jié)構(gòu)的干涉特征波長(zhǎng)和光纖光柵波長(zhǎng)的變化可以表示為：

其中δλ1、δλ2分別為氣泡結(jié)構(gòu)干涉譜的特征波長(zhǎng)以及光纖光柵的波長(zhǎng)變化量，δt和δn分別為溫度和應(yīng)變的變化量，kt1、kn1和kt2、kn2分別為氣泡結(jié)構(gòu)和光纖光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度，可以通過計(jì)算靈敏度曲線的斜率得到。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出了氣泡示意圖；

圖2示出了氣泡效果圖；

圖3示出了溫度測(cè)試系統(tǒng)示意圖；

圖4示出了應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)示意圖；

圖5示出了氣泡漂移曲線；

圖6示出了光譜變化曲線。

具體實(shí)施方式

通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案由一支泵浦源、一段摻雜稀土元素的增益光纖、一支波分復(fù)用器(wdm)、單模光纖(smf)構(gòu)成。摻雜稀土元素的光纖作為光纖傳感器的增益介質(zhì)，wdm用于將泵浦光耦合進(jìn)入摻雜光纖。

在光纖端面進(jìn)行腐蝕處理后，與切平面的光纖相對(duì)熔接，在熔接過程中，孔槽發(fā)生膨脹，在纖芯位置產(chǎn)生氣泡。由于經(jīng)過氣泡傳輸光的光程發(fā)生變化，形成干涉，通過光譜儀進(jìn)行觀測(cè)，產(chǎn)生梳狀譜曲線。應(yīng)用該梳狀譜進(jìn)行傳感測(cè)試，當(dāng)干涉儀受到外界影響導(dǎo)致氣泡結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，光程差發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉梳狀譜改變，干涉條紋產(chǎn)生移動(dòng)。

由于光纖光柵和氣泡干涉結(jié)構(gòu)具有不同的溫度和應(yīng)變傳感靈敏度，將氣泡傳感器和光纖光柵熔接在一起，可同時(shí)對(duì)溫度以及應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)現(xiàn)方案

首先，用氫氟酸對(duì)光纖端面進(jìn)行腐蝕。利用40％的氫氟酸溶液在普通光纖纖芯腐蝕出凹槽，然后將光纖凹槽面與另外一段端面平整的光纖熔接成腔，形成氣泡結(jié)構(gòu)。先將光纖涂覆層剝除，將光纖端面切平，垂直放置于濃度為40％的氫氟酸溶液中侵蝕一段時(shí)間。由于光纖的纖芯比包層具有更快的腐蝕速度，能夠在光纖纖芯處腐蝕出凹槽，腐蝕7分鐘可以得到6微米深的凹槽。腐蝕后將光纖端面用水清洗后與另一段端面為平面的光纖熔接，形成氣泡，在熔接過程中，需要控制熔接放電強(qiáng)度，避免放電過大造成熔接塌陷，影響氣泡的形成。示意圖如圖1所示，效果如圖2所示。

接下來，將氣泡傳感器通光纖光柵熔接在一起，對(duì)該傳感器進(jìn)行溫度標(biāo)定。如圖3圖4所示，在溫度發(fā)生改變的條件下，引起氣泡傳感器和光纖光柵光譜曲線發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致梳狀譜發(fā)生紅移或藍(lán)移，示意圖如圖5所示。隨著溫度的增加，選用氣泡傳感器的波谷作為采樣點(diǎn)，氣泡傳感器的波長(zhǎng)漂移大于或者小于光纖光柵透射峰的波長(zhǎng)漂移。通過逐漸增加溫度的大小，記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度，得到氣泡傳感器梳狀譜以及光纖光柵透射譜隨溫度的變化曲線。

然后，對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，如圖3所示。在折射率發(fā)生改變的條件下，引起氣泡傳感器和光纖光柵光譜曲線發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致梳狀譜發(fā)生紅移或藍(lán)移，示意圖如圖4所示。隨著應(yīng)變的增加，選用氣泡傳感器的波谷作為采樣點(diǎn)，氣泡傳感器的波長(zhǎng)漂移大于或者小于光纖光柵透射峰的波長(zhǎng)漂移。通過逐漸增加應(yīng)變的大小，記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度，得到氣泡傳感器梳狀譜以及光纖光柵透射譜隨應(yīng)變的變化曲線。

當(dāng)溫度和應(yīng)變同時(shí)變化時(shí)，氣泡干涉結(jié)構(gòu)的干涉特征波長(zhǎng)和光纖光柵波長(zhǎng)的變化可以表示為：

其中δλ1、δλ2分別為氣泡結(jié)構(gòu)干涉譜的特征波長(zhǎng)以及光纖光柵的波長(zhǎng)變化量，δt和δn分別為溫度和應(yīng)變的變化量，kt1、kn1和kt2、kn2分別為氣泡結(jié)構(gòu)和光纖光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度，可以通過計(jì)算靈敏度曲線的斜率得到。將公式1進(jìn)行轉(zhuǎn)置得到：

其中d-kt1kn2-kt2kn1

最終，可以通過采集氣泡結(jié)構(gòu)和光柵的波長(zhǎng)漂移，得到溫度和折射率的變化量，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量，示意圖如圖6所示。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。