一种高模场耦合效率的高精细度空芯光纤谐振腔及其构建方法 专利技术说明

摄影电影;光学设备的制造及其处理,应用技术1.本发明属于光学检测技术领域，涉及一种高模场耦合效率的高精细度空芯光 纤谐振腔及其构建方法。背景技术：2.现有光学检测方法，如检测温度、应变、气体浓度变化等方法可通过增加激 光作用路径来放大检测信号，进而有效提升检测性能。空芯光纤谐振腔具有体积 小巧且自身的高精细度光学腔结构能够有效增加激光作用路径的特点，是一种理 想的光学检测传感器。3.现有构建空芯光纤谐振腔的方法多采用镀高反膜单模光纤与空芯光纤直接 构成腔膜结构，然而一般单模光纤模场要小于空芯光纤模场，这导致单模光纤基 模能量不能很好的耦合到空芯光纤基模模场上，这种低模场耦合效率会限制空芯 光纤谐振腔的精细度趋于理想精细度。同时低模场耦合效率也会造成空芯光纤谐 振腔内部高阶模变多，影响到光学检测信号的稳定性，限制了光学检测方法检测 性能的提升。4.因此，研究一种高模场耦合效率的空芯光纤谐振腔构建方法，能够有效提升 空芯光纤谐振腔的模场耦合效率，实现空芯光纤谐振内部光学检测信号的放大以 及稳定，是具有重大实际意义的。技术实现要素：5.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高模场耦合效 率的高精细度空芯光纤谐振腔及其构建方法，可提高光纤谐振腔的模场耦合效率， 增大空芯光纤谐振腔的精细度以及减少腔内部高阶模成分，提升空芯光纤谐振腔 整体的检测性能。6.为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：7.一种高模场耦合效率的高精细度空芯光纤谐振腔，所述空芯光纤谐振腔包括 依次固定连接的第一smf-grin-高反镀膜结构、空芯光纤和第二smf-grin‑ꢀ高反镀膜结构；8.其中，第一smf-grin-高反镀膜结构和第二smf-grin-高反镀膜结构的 高反镀膜分别与空芯光纤两端连接，形成空芯光纤谐振腔结构。9.本发明进一步包括以下优选方案：10.优选地，所述空芯光纤为空芯反谐振光纤、光子带隙光纤或内部镀金属膜毛 细管的空芯导光结构。11.优选地，所述光学检测信号包括吸收信号、光声信号、光热信号和拉曼散射 信号。12.优选地，所述smf选用smf-28单模光纤；13.所述grin选用mo2型渐变折射率光纤；14.所述高反镀膜为13层ta2o5/sio2介质涂层。15.优选地，所述空芯光纤纤芯直径为28μm，长度为1m；16.所述smf-28单模光纤的模场直径为10μm；17.所述mo2型渐变折射率光纤的纤芯直径为50μm，纤芯节距为1/4，长度 为200μm；18.所述高反镀膜的介质涂层工作在532-900nm。19.本发明还提供一种高模场耦合效率的高精细度空芯光纤谐振腔的构建方法， 所述方法包括以下步骤：20.步骤1：利用grin内部具有周期性变化的折射率，可以在grin内部使激 光出射模场进行放大与缩小的特性，根据空芯光纤模场，以将经过smf传输的 激光的出射模场放大到与空芯光纤模场大小相同为目标，确定grin半径以及长 度；21.步骤2：基于步骤1构建第一smf-grin-高反镀膜结构和第二smf-grin‑ꢀ高反镀膜结构；22.步骤3：将第一smf-grin-高反镀膜结构和第二smf-grin-高反镀膜结 构与空芯光纤进行对齐，其中，第一smf-grin-高反镀膜结构和第二 smf-grin-高反镀膜结构的高反镀膜分别与空芯光纤两端连接，形成空芯光纤 谐振腔结构；23.步骤4：结合光纤谐振腔透射光谱进行谐振腔精细度的实际测量；24.步骤5：对第一smf-grin-高反镀膜结构和第二smf-grin-高反镀膜结 构的距离和角度进行调节，直到步骤4获得的实际测量的精细度与精细度的要求 一致；25.步骤6：对第一smf-grin-高反镀膜结构、第二smf-grin-高反镀膜结 构与空芯光纤进行固定，形成高精细度空芯光纤谐振腔结构。26.优选地，步骤1中，grin半径以及长度的确定方式为：27.假设grin半径大小为r，δ表示grin光纤相对折射率差，则grin光纤聚 焦系数g表示为：[0028][0029]则经过grin光纤聚焦之后的光线束腰处模场大小为：[0030][0031][0032]其中，w0为smf的出射光斑大小，λ为激光的波长，n为grin轴心折射 率，l表示grin的长度；[0033]利用式(1)-(3)，grin的δ、n为固有已知参数，λ和w0均为已知参数， 通过选择grin光纤半径r以及长度l即可实现对smf出射模场的放大。[0034]优选地，所述构建方法中对smf传输激光的出射模场放大的器件不限于 grin光纤，还包括所有能够用于放大模场的器件。[0035]优选地，步骤2中，第一smf-grin-高反镀膜结构和第二smf-grin-高 反镀膜结构的构建方式相同，均为：[0036]将grin一端熔接在smf端面，在grin另一端镀高反镀膜，形成 smf-grin-高反镀膜结构。[0037]优选地，所述步骤3采用光纤套管将第一smf-grin-高反镀膜结构和第二 smf-grin-高反镀膜结构与空芯光纤进行对齐。[0038]优选地，所述步骤5通过精密五轴位移台进行所述距离和角度的调节。[0039]优选地，所述步骤6采用uv胶对第一smf-grin-高反镀膜结构、第二 smf-grin-高反镀膜结构与空芯光纤进行固定。[0040]本发明的有益效果在于，与现有技术相比：[0041]渐变折射率光纤(grin)由于自身内部折射率呈周期性变化，光入射到渐 变折射率光纤中会形成一个个周期性的汇聚和发散，本发明利用渐变折射率光纤 折射率周期渐变特性，通过在单模光纤(smf)端面熔接一段渐变折射率光纤， 控制渐变折射率光纤半径以及长度，从而放大单模光纤出射模场，将grin光纤 出射模场与空芯光纤模场保持一致从而提高光纤谐振腔的模场耦合效率，保证单 模光纤中的入射激光能量在空芯光纤谐振腔内部全部以基模的形式进行谐振，在 提高空芯光纤谐振腔精细度的同时减少空芯光纤谐振腔内部高阶模成分，精细度 的提升能够有效增加激光作用路径使检测信号(吸收信号、光声信号、光热信号、 拉曼散射信号等能够反应检测物理量变化的信号)放大，空芯光纤谐振腔中基模 能量占比变大使空芯光纤谐振腔内光学检测信号的稳定性随之提高，最终实现光 学检测信号强度和稳定性的同步提升，提升空芯光纤谐振腔整体的检测性能。附图说明[0042]图1是本发明一种高模场耦合效率的高精细度空芯光纤谐振腔的结构图。具体实施方式[0043]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本 发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。[0044]如图1所示，本发明的实施例1提供了一种高模场耦合效率的高精细度空芯 光纤谐振腔，在本发明优选但非限制性的实施方式中，所述空芯光纤谐振腔包括 依次固定连接的第一smf-grin-高反镀膜结构、空芯光纤和第二smf-grin‑ꢀ高反镀膜结构，其中，smf为单模光纤，grin为渐变折射率光纤；[0045]其中，第一smf-grin-高反镀膜结构和第二smf-grin-高反镀膜结构的 高反镀膜分别与空芯光纤两端连接，形成空芯光纤谐振腔结构。[0046]进一步优选地，所述空芯光纤为空芯反谐振光纤、光子带隙光纤或内部镀金 属膜毛细管等空芯导光结构。[0047]所述光学检测信号包括吸收信号、光声信号、光热信号、拉曼散射信号等能 够反应检测物理量变化的信号。[0048]所述空芯光纤纤芯直径为28μm，长度为1m；[0049]所述smf选用smf-28单模光纤，其模场直径为10μm；[0050]所述grin选用mo2型渐变折射率光纤，其纤芯直径为50μm，纤芯节距 为1/4，长度为200μm；[0051]所述高反镀膜为13层ta2o5/sio2介质涂层，介质涂层工作在532-900nm。[0052]上述的高模场耦合效率的高精细度空芯光纤谐振腔的构建方法，具体为：[0053]步骤1：利用grin内部具有周期性变化的折射率，可以在grin内部使激 光出射模场进行放大与缩小的特性，根据空芯光纤模场，以将经过smf传输的 激光的出射模场放大到与空芯光纤模场大小相同为目标，确定grin半径以及长 度；[0054]grin半径以及长度的确定方式为：[0055]假设grin半径大小为r，δ表示grin光纤相对折射率差，则grin光纤聚 焦系数g表示为：[0056][0057]则经过grin光纤聚焦之后的光线束腰处模场大小为：[0058][0059][0060]其中，w0为smf的出射光斑大小，λ为激光的波长，n为grin轴心折射 率，l表示grin的长度；[0061]利用式(1)-(3)，grin的δ、n为固有已知参数，λ和w0均为已知参数， 通过选择grin光纤半径r以及长度l即可实现对smf出射模场的放大。[0062]所述构建方法中对smf传输激光的出射模场放大的器件不限于grin光纤， 还包括所有能够用于放大模场的器件。[0063]步骤2：构建第一smf-grin-高反镀膜结构和第二smf-grin-高反镀膜 结构；[0064]第一smf-grin-高反镀膜结构和第二smf-grin-高反镀膜结构的构建方 式相同，均为：[0065]将grin一端熔接在smf端面，在grin另一端镀高反镀膜，形成 smf-grin-高反镀膜结构。[0066]高反镀膜只用于反射光线，制作高反镀膜只需要知道反射率以及工作波段即 可，具体厚度需要根据实测高反镀膜的反射率以及工作波段相关参数进行调整， 优选地，本发明高反镀膜为13层ta2o5/sio2介质涂层，介质涂层工作在 532-900nm。[0067]步骤3：采用光纤套管将第一smf-grin-高反镀膜结构和第二smf-grin‑ꢀ高反镀膜结构与空芯光纤进行对齐，其中，第一smf-grin-高反镀膜结构和第 二smf-grin-高反镀膜结构的高反镀膜分别与空芯光纤两端连接，形成空芯光 纤谐振腔结构；[0068]步骤4：结合光纤谐振腔透射光谱进行谐振腔精细度的实际测量；[0069]步骤5：对第一smf-grin-高反镀膜结构和第二smf-grin-高反镀膜结 构的距离和角度进行调节，直到步骤4获得的实际测量的精细度与理论计算得到 的精细度的要求一致；[0070]对距离以及角度调节是按照经验进行调节，每种情况下对应的调节趋势都有 不同，没有具体的距离角度调节算法步骤，只能先调节距离以及角度然后根据实 际测量的精细度变化规律判断下一次距离以及角度调节的方向和大小。[0071]步骤6：采用uv胶对第一smf-grin-高反镀膜结构、第二smf-grin‑ꢀ高反镀膜结构与空芯光纤进行固定，形成高精细度空芯光纤谐振腔结构。[0072]综上所述，本发明高模场耦合效率的高精细度空芯光纤谐振腔由两端单模光 纤(smf)-渐变折射率光纤(grin)-高反镀膜和中间空芯光纤构成，通过控 制渐变折射率光纤的长度以及直径可以使单模光纤放大到与空芯光纤模场相同， 三者通过光纤套筒对准并通过uv胶进行固定最终形成高精细度空芯光纤谐振 腔结构。[0073]其中，单模光纤(smf)选用工程中常用的smf-28单模光纤，能够很好的 适配现有光纤传感器网络。smf-28单模光纤的模场直径为10um，该参数为产 品固定参数。通过熔接一段特定长度的mo2型渐变折射率光纤(纤芯直径为50 μm，1/4节距，长度为200μm)，使其与空芯光纤的模场大小(22.5μm)相 匹配，使得模式匹配效率可达99％；在渐变折射率光纤端面镀上13层ta2o5/sio2 介质涂层，介质涂层工作在532-900nm波段的反射率＞98％，形成光纤谐振腔的 腔镜，光纤谐振腔精细度约为1800；[0074]上述532-900nm代表的是高反涂层能够反射的激光波段，表示的是膜层的 工作范围。由于该构建方法主要运用场景假设为拉曼光谱，而气体的拉曼光谱大 多数都存在于532-900nm，所以规定介质涂层工作在532-900nm。[0075]空芯光纤纤芯直径为28μm，长度为1m，在532nm处的损耗为14db/km；[0076]smf-grin-高反镀膜与与空芯光纤先通过光纤套管进行对齐，同时结合光 纤谐振腔透射光谱实现谐振腔精细度的计算，再通过精密五轴位移台进行 smf-grin-高反镀膜细微距离和角度的调节实现1800精细度的要求，之后用 uv胶粘连，形成精密的空芯光纤谐振腔结构。[0077]本发明的有益效果在于，与现有技术相比：[0078]渐变折射率光纤由于自身内部折射率呈周期性变化，光入射到渐变折射率光 纤中会形成一个个周期性的汇聚和发散，本发明利用渐变折射率光纤折射率周期 渐变特性，通过在单模光纤端面熔接一段渐变折射率光纤，控制渐变折射率光纤 半径以及长度，从而放大单模光纤出射模场，将grin光纤出射模场与空芯光纤 模场保持一致从而提高光纤谐振腔的模场耦合效率，保证单模光纤中的入射激光 能量在空芯光纤谐振腔内部全部以基模的形式进行谐振，在提高空芯光纤谐振腔 精细度的同时减少空芯光纤谐振腔内部高阶模成分，精细度的提升能够有效增加 激光作用路径使检测信号(吸收信号、光声信号、光热信号、拉曼散射信号等能 够反应检测物理量变化的信号)放大，空芯光纤谐振腔中基模能量占比变大使空 芯光纤谐振腔内光学检测信号的稳定性随之提高，最终实现光学检测信号强度和 稳定性的同步提升，提升空芯光纤谐振腔整体的检测性能。[0079]本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述， 但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽 的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限 制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明 的保护范围之内。









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