一种基于飞秒激光刻写反射面的微型探针式光纤法布里-铂罗干涉仪制作方法

1.本发明属于光纤器件制作技术领域，涉及一种基于飞秒激光刻写反射面的微型探针式光纤法布里-铂罗干涉仪(fabry-perot interferometer, fpi)制作方法。


背景技术：

2.在电源开关柜、电缆槽、变压器绕组和石油传输管道等特殊环境中使用的传感器，需要具有绝缘强度高，抗电磁干扰，体积小，灵敏度高，耐腐蚀和性能稳定的特性，但是传统电子传感器很难同时具备这些特性。在过去的三十年中，光纤传感器依靠其固有的特性和优势在某些特殊领域迅速崛起。为增加传感结构的灵活性，改善光纤传感器的关键性能指标，飞秒激光引起了广大学者的研究兴趣。飞秒激光因其热影响区域小、加工精度高、加工效率高、能实现真正三维结构的制作，从而能够在更小尺寸的传感器上实现多参数、高精度的同时测量。近几年，在众多文献中报道了法布里-珀罗干涉仪制备方法，其主要可以分为三种，第一种方法是使用特种光纤，例如空心光纤和光子晶体光纤。毫无疑问，特种光纤的使用将大大增加传感器的制备成本。另外，在手动切割特种光纤的过程中，很难保证所切特种光纤长度与目标长度一致，且传感器制备的可重复性差。第二种方法是化学腐蚀法。但化学腐蚀有一定的危险性，制备周期较长，难以准确控制微腔的长度。第三种方法是利用飞秒激光在单模光纤中烧蚀微腔或微流道的方法，但在烧蚀过程中严重破坏了单模光纤原有的机械强度，腔体容易损坏。因此，如何实现安全的、高重复性的制备低成本、性能稳定的法布里-珀罗干涉仪，已成为光纤fpi 器件制作技术领域的一个重点研究方向。


技术实现要素：

3.本发明解决了光纤微型fpi制作困难，机械强度差，性能不稳定等问题，提出了一种结构紧凑、可批量生产、性能稳定的微型探针式法布里-铂罗干涉仪，在基于法布里-铂罗的干涉式光纤传感器的生产及应用过程中起着至关重要的作用。采用单模光纤拉锥、放电熔接及飞秒激光刻写反射面方法制作微型探针式fpi。微型探针的尺寸可以通过调节熔接机的放电强度、放电时间、放电次数，两侧电极的移动时间、移动距离得以控制。微型探针中嵌入的反射面的形状可以通过调节飞秒激光的频率、波长、功率以及刻写路径得以控制。该方法具有成本低廉、操作简单、设计灵活的优点。
4.本发明的具体技术方案为：一种基于飞秒激光刻写反射面的微型探针式光纤法布里-铂罗干涉仪制作方法，包括如下步骤：（1）在单模光纤的轴向中心处放电拉锥，移动熔接机的一侧夹具使锥腰中心偏离放电中心，再次放电拉锥，并熔断，得到直径较大的单侧锥形光纤和直径较小的单侧锥形光纤；（2）将直径较小的单侧锥形光纤替换为端面切割平整的单模光纤，调整直径较大
的单侧锥形光纤和替换后的单模光纤的位置，放电熔接，随着放电次数的增加，锥形光纤的锥腰逐渐变小直至断开，在单模光纤的端面出现微型探针；（3）带有微型探针的单模光纤被放置在飞秒激光的三维移动平台上，设置飞秒激光的功率、频率、波长和光斑移动路径，构成fpi的反射面被刻写在微型探针中，得到目标参数的微型探针式光纤法布里-铂罗干涉仪。
5.上述步骤（1）、（2）中所述的放电操作和步骤（1）中所述的夹具移动是通过熔接机完成的。
6.上述步骤（3）中所述的反射面的刻写是通过飞秒激光完成的。。
7.本发明具有以下有益效果：（1）本发明中利用熔接机进行拉锥，放电强度、放电时间、放电次数，两侧电极的移动时间、移动距离均可以通过程序灵活控制。
8.（2）本发明中利用熔接机将锥形光纤熔接于单模光纤端面，锥形光纤、单模光纤的位置，放电强度、放电次数可以灵活控制。
9.（3）本发明中反射面的制备使用的是飞秒激光刻写法，机械强度高，设计灵活，程序控制光斑路径，制备重复性极高。
附图说明
10.图1是基于单模光纤放电拉锥熔接的微型探针制作方法示意图，其中，(a)为单模光纤首次放电拉锥效果图；(b)为熔接机夹具移动后锥腰相对位置图；(c)为单模光纤二次放电拉锥效果图；(d)为端面平整的单模光纤替换直径较小的单侧锥形光纤示意图；(e)为单模光纤与直径较大的单侧锥形光纤熔接初始位置图；(f)为单模光纤与单侧锥形光纤放电熔接效果图。
11.图2是不同尺寸的探针显微镜图，（a）探针长度为104μm（b）探针长度为为143μm（c）探针长度为181μm（d）探针长度为231μm。
12.图3是利用飞秒激光在微型探针中刻写构成fpi的反射面效果图。
13.图4是探针长度为181μm，两个反射面间隔为50μm的微型探针fpi干涉光谱。
具体实施方式
14.为使上述目的、优点更加易懂，下面结合附图以及具体实施方式对本发明进一步说明。
15.本发明具体实施过程如下：在制备微型探针的过程中，首先将单模光纤在熔接机中进行第一次放电拉锥，熔接机参数设置为：放电时间5000ms，放电强度3unit，z轴推进类型为两侧光纤，z轴拉开始时间3000ms，z轴拉距离1000μm，首次拉锥效果如图1(a)所示。然后，将右侧光纤夹具打开，左侧夹具向左移动200μm，移动后光纤位置如图1(b)所示。随后，进行第二次放电拉锥，锥腰熔断，得到直径较小的单侧锥与直径较大的单侧锥，如图1(c)所示。将直径较小的单侧锥替换为端面平整的单模光纤，调整两者的位置，使得单模光纤端面距离放电中心100μm，单侧锥光纤紧贴单模光纤，如图1(e)所示。在熔锥操作过程中，通过设置放电过程中z轴拉距离的大小，可以得到不同长度的微型探针。在刻写反射面的过程中，首先设置飞秒激光的参数，
具体为：波长520nm，频率5khz，功率2.5μw，高精度微位移台的移动速度30μm/s。然后设置光斑移动路径，采用逐线法自下而上刻写50条间隔为0.5μm的反射线构成一个反射面，然后，微位移台沿y轴移动50μm，用上述方法刻写另一个反射面。
16.由图2可知，随着z轴拉距离的增加，探针长度呈现增加的趋势，在图2中分别给出了探针长度为104μm、143μm、181μm、231μm的微型探针实物图。图3展示了刻写反射面后的微型探针fpi的实物图。当探针长度为181μm，两个反射面间距为50μm时，微型探针fpi所形成的干涉光谱如图4所示，最大条纹对比度为5.02db，自由光谱范围为11nm。因此，利用本方法可以实现结构紧凑、性能稳定的微型探针fpi的批量制备。


技术特征：
1.一种基于飞秒激光刻写反射面的微型探针式光纤法布里-铂罗干涉仪制作方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在单模光纤的轴向中心处放电拉锥，移动熔接机的一侧夹具使锥腰中心偏离放电中心，再次放电拉锥，并熔断，得到直径较大的单侧锥形光纤和直径较小的单侧锥形光纤；（2）将直径较大的锥形光纤替换为端面切割平整的单模光纤，调整直径较小的锥形光纤和替换后的单模光纤的位置，放电熔接，随着放电次数的增加，锥形光纤的锥腰逐渐变小直至断开，在单模光纤的端面出现微型探针；（3）带有微型探针的单模光纤被放置在飞秒激光的三维移动平台上，设置飞秒激光的功率、频率、波长和光斑移动路径，构成fpi的反射面被刻写在微型探针中，得到目标参数的微型探针式光纤法布里-铂罗干涉仪。2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光刻写反射面的微型探针式光纤法布里-铂罗干涉仪制作方法，其特征在于，步骤（1）、（2）中所述的放电操作和步骤（1）中所述的夹具移动是通过熔接机完成的。3.根据权利要求1或2所述的一种基于飞秒激光刻写反射面的微型探针式光纤法布里-铂罗干涉仪制作方法，其特征在于，步骤（3）中所述的反射面的刻写是通过飞秒激光完成的。

技术总结
本发明属于光纤器件制作技术领域，公开了一种基于飞秒激光刻写反射面的微型探针式光纤法布里-铂罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)制作方法。采用单模光纤拉锥、放电熔接及飞秒激光刻写反射面方法制作微型探针式FPI。微型探针的尺寸可以通过调节熔接机的放电强度、放电时间、放电次数，两侧电极的移动时间、移动距离得以控制。微型探针中嵌入的反射面的形状可以通过调节飞秒激光的频率、波长、功率以及刻写路径得以控制。该方法可得到结构紧凑、可批量生产、性能稳定的微型探针式法布里-铂罗干涉仪，在基于法布里-铂罗的干涉式光纤传感器的生产及应用过程中起着至关重要的作用。此外，微型探针式FPI可以用于高温、折射率、湿度等参数探测。湿度等参数探测。


技术研发人员：陈茂庆 贺同月 赵勇
受保护的技术使用者：东北大学秦皇岛分校
技术研发日：2021.08.06
技术公布日：2023/2/17