一种光纤刻槽填充温敏液体的长周期光栅温度探头的制作方法

本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及了一种光纤刻槽填充温敏液体的长周期光栅温度探头。

背景技术：

光纤光栅是一种非常重要的光纤无源器件，具有体积小和插入损耗小等优点，广泛应用在光纤传感领域。光纤光栅还具有抗电磁干扰能力强和抗腐蚀能力强，可以在复杂的环境中工作。光纤光栅按照周期大小分类，可以分为布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅。与布拉格光纤光栅相比，长周期光纤光栅具有很多独特的性质，比如：无后向反射和同向传输的纤芯基模与包层模式之间耦合等特点。本发明利用长周期光纤光栅对外界温度变化敏感的特点，制作长周期光栅温度探头。

飞秒激光器是一种新型的激光器，不仅具有峰值功率大、可调性和稳定性高等优点，而且脉冲持续间隔为飞秒量级，因此在超精细微加工与光纤传感等领域有重大的应用。

本发明通过运用飞秒激光加工技术，对单模光纤包层进行刻槽处理，然后向槽内填充温敏液体甘油，最后用石英玻璃毛细管进行封装，制成长周期光栅温度探头，实现对外界温度的测量。

技术实现要素：

本发明的目标是实现对外界温度的测量，设计了一种光纤刻槽填充温敏液体的长周期光栅温度探头，一种光纤刻槽填充温敏液体的长周期光栅温度探头结构包括宽带光源、光纤链路、敏感探头和光谱分析仪，所述的敏感探头运用飞秒激光加工技术，在单模光纤包层中刻槽，然后向槽内填充温敏液体甘油，最后由石英玻璃毛细管进行封装。本发明，利用甘油随着外界温度变化而改变折射率的特性，来影响光纤包层的有效折射率，进而引起长周期光纤光栅谐振波长改变，最后由透射光谱图中谐振波长的变化量来反映外界温度的变化情况。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案是：一种光纤刻槽填充温敏液体的长周期光栅温度探头，包括宽带光源、光纤链路、敏感探头和光谱分析仪，所使用的光纤是单模光纤，纤芯直径是8.2μm。

所述的敏感探头是运用飞秒激光微加工技术，在单模光纤包层刻出一系列直角三角槽，直角三角槽的最大深度为50μm，长度为200μm，光纤包层端面与直角三角槽斜边的夹角是14°，相邻的两个直角三角槽的距离为200μm。加工后的单模光纤包层中形成了周期性排布的直角三角槽，这些直角三角槽，实现了对单模光纤包层折射率的周期性调制，周期为400μm。按照光纤光栅的周期大小分类，加工后的单模光纤是长周期光纤光栅，具备了透光性和无后向反射的特点。

所述的敏感探头，是飞秒激光刻槽后的单模光纤在显微镜下，将其缓慢的插入石英玻璃毛细管内，成功插入后，再将石英玻璃毛细管一端浸入装有温敏液体的玻璃皿中，另一端向大气开放，利用石英玻璃毛细管的毛细作用，把温敏液体填充进直角三角槽中。待温敏液体填充完毕后，使用uv胶先把石英玻璃毛细管未浸入温敏液体端的一侧完全涂覆，然后再把另一端完全涂覆，使其密封。

所述的填充液是对温敏液体甘油，甘油会根据外界温度而改变自身折射率，在20℃到60℃之间，浓度为97％的甘油折射率变化情况比较显著，每上升1℃，折射率下降2.9×10^-4。

长周期光纤光栅的谐振波长公式：

λ0＝(nco-ncl)λ

其中nco为纤芯有效折射率，ncl为包层有效折射率，λ为长周期光纤光栅的周期，λ0为谐振波长。当外界温度改变时，填充在直角三角槽中的甘油折射率发生改变，使得所述式子中的ncl包层有效折射率发生改变，从而改变了透射光的λ0谐振波长，最后由透射光谱图中谐振波长的变化量来反映外界温度的变化情况。

由于采用了上述的技术方案，本发明取得的技术进步是：本发明提供了一种光纤刻槽填充温敏液体的长周期光栅温度探头，将长周期光纤光栅与温敏液体甘油相结合，提高了温度灵敏度；长周期光纤光栅不仅对外界温度变化敏感，对外界磁场变化也同样敏感，当填充液由温敏液体甘油改为磁场敏感液体磁流体时，由于磁流体折射率随外界磁场改变而变化，进而改变光纤包层有效折射率，引起透射光的谐振波长发生改变，由透射谱图的谐振波长变化来测量外界磁场变化，本发明的长周期光栅温度探头可以灵活运用为长周期光栅磁感应探头。

附图说明

图1(a)为本发明所述的一种光纤刻槽填充温敏液体的长周期光栅温度探头的工作结构示意图；

图1(b)为本发明所述的光纤包层中槽的具体结构示意图；

图2为本发明所述的石英毛细管封装的光纤的横向截面图。

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

图1(a)中，宽带光源(1)、光纤链路(2)、敏感探头(3)和光谱分析仪(4)。

图1(b)中，敏感探头(3)的结构是：光纤纤芯(3-1)、光纤包层(3-2)、直角三角槽(3-3)和石英玻璃毛细管(3-4)。

具体实施方式

以下是结合附图和具体实施步骤来对本发明的进一步详细说明。

具体实施步骤如下：本发明所述的一种光纤刻槽填充温敏液体的长周期光栅温度探头的工作结构示意图，包括宽带光源(1)、光纤链路(2)、敏感探头(3)、和光谱分析仪(4)，连接方式如图1(a)所示。

进一步地，在本发明所述的敏感探头(3)结合附图中图1(b)所示结构，具体制作过程如下，

步骤一：光纤端面预处理

本发明选用单模光纤，纤芯直径为8.2μm，长度为2cm，去除单模光纤表面的涂覆层，然后用超声波清洗机对单模光纤的进行清洁。

步骤二：飞秒激光在包层上刻槽

首先，将去除涂覆层的单模光纤固定到三维精细移动平台上，确保平行放置；调整飞秒激光器的脉冲能量和激光频率设置，聚集成直径大约为1μm的光斑，保持飞秒激光器不动；通过电脑控制三维精细移动平台的移动路径，平台相对飞秒激光器作变速运动，速度由快变慢，由飞秒激光器熔化部分光纤包层后形成一个直角三角槽。完成一个直角三角槽后，由电脑控制三维精细平台快速平行移动200μm，再重复上述操作形成一系列周期为400μm的直角三角槽。设置平台移动总长度为16mm。最后形成图1(b)所示结构，直角三角槽(3-3)最大深度为50μm，宽度为200μm，光纤包层端面与直角三角槽斜边的夹角是14°，周期为400μm。

步骤三：填充温敏液体与封装

首先，将石英玻璃毛细管和单模光纤固定在显微镜下，要同时观察到石英玻璃毛细管和单模光纤的端面，保持两者在水平等多个维度一致，调整对准，缓慢的将单模光纤插入石英玻璃毛细管内。然后将石英玻璃毛细管一端，竖直插入装有甘油的玻璃皿中，另一端向大气开放，利用毛细作用填充甘油。当面向大气一端有甘油溢出时，表示填充完毕，用uv胶将其完全涂覆。最后，再将石英玻璃毛细管的浸入甘油的端面用uv胶完全涂覆，使其密封。石英玻璃毛细管的内径是160μm，外径1000μm。

上述制作工艺步骤顺利完成后，敏感探头(3)制备完毕。

本发明的一种光纤刻槽填充温敏液体的长周期光栅温度探头的基本原理为：运用飞秒激光微加工技术，在单模光纤的包层中刻出直角三角槽，规定直角三角槽的最大深度为50μm、宽度为200μm、光纤包层端面与直角三角槽斜边的夹角是14°和周期为400μm，使直角三角槽尽可能的符合长周期光纤光栅性能指标，方便对温度的测量；然后，使用内径160μm，外径为1000μm的石英玻璃毛细管进行封装，利用毛细作用向直角三角槽填充温敏液体甘油。本发明的长周期光栅温度探头，根据甘油随着外界温度变化而改变折射率的特性，来影响光纤包层的有效折射率，进而引起长周期光纤光栅谐振波长发生改变，最后由透射光谱图中谐振波长的变化量来反映外界温度的变化情况，达到对外界温度的测量。