CN101034007A - 光纤法珀传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种机械稳定性好、耐高温和光学性能好的光纤法珀传感器，包括光纤和被接光纤，在光纤或/和被接光纤的端面有微槽，光纤和被接光纤通过对接连接在一起，所述微槽形成FP腔，所述FP腔的光学反射面是平面。本发明机械稳定性好且耐高温；本发明采用的激光加工工艺对任何种类的光纤都适用，可以对光纤进行精确的切割，易于制成各种量程的压力传感器；本发明的传感器结构更加先进，其两个反射面都是平面，反射性能很好，传感器的光学性能极其优良；本发明的两段光纤都可以是普通单模光纤，它们之间完全兼容；本发明的传感器反射条纹对比度可达10dB以上，光学性能极其优良。

Description

光纤法珀传感器及其制造方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种光纤法珀(FP)传感器及其制造方法。
技术背景
近年来，随着生物、医学、能源、环境、航天航空、军事等领域的快速发展，对传感器的微型化、轻量化、低能耗、耐恶劣环境能力等提出了非常迫切的要求，微纳传感器已成为国际上的重大科技前沿热点之一。激光微加工技术的迅猛发展为研究新一代微纳光纤传感器件提供了新的技术手段，因此如何应用激光等现代微纳米加工技术在光纤上实现各种微纳功能性传感器件是未来光纤传感器发展的重要趋势，也是传感器大领域中的一个十分前沿、重大的科学课题。
基于MEMS的微纳传感器都是基于电参数测量的原理，在耐恶劣环境能力方面还存在诸多问题，特别是难以在高温(600℃以上)、低温(-60℃以下)、强电磁干扰、易燃易爆环境等恶劣条件下工作，从而极大地限制了MEMS传感器在许多重要领域的特殊应用，如航天航空、能源、化工、生物医学等。在传感器的大家族中，光纤传感器具有本质安全、不受电磁干扰、便于联网与远距离遥测、适于恶劣环境等一系列优点，已逐渐成为新一代传感器技术的主流发展方向之一。
在光纤传感器中，作为温度、应变和压力测量的传感器主要是布拉格光纤光栅(FBG)和FP腔干涉仪，FBG由于其温度与其它被测量的交叉敏感性和在大应变下光谱畸变使其应用受到了较大的限制。法珀传感器由于温度与其它被测量的交叉敏感性小的特点很适合温度、应变和压力测量，但目前光纤法珀传感器的结构如图1所示，是采用导管11将两段光纤连接在一起，机械稳定性不好，不耐高温，其制作主要依赖于手工制作和封装，其成品率和产品重复率得不到保证。
JP2001280922公开了一种法珀传感器，由于采用了腐蚀工艺，只有对多模光纤才适用，传感器腔体必须是多模光纤，生产效率较低，难以实现大规模制造；腐蚀工艺无法完成对光纤的切割，很难制成压力传感器；法珀传感器的一个光学反射面是经腐蚀而成的弧形凹面，其反射性能不好，导致法珀传感器的光学性能较差，传感器反射条纹对比度小(＜10dB)，使测量精度受限；传感器一端是多模光纤，传感器插入损耗很大，光学性能较差，与现有普通单模光纤的对接损耗大，很难复用。
WO2005121697也公开了一种法珀传感器，由于采用了腐蚀工艺，只有对多模光纤才适用，传感器腔体必须是多模光纤，生产效率较低，难以实现大规模制造；腐蚀工艺无法完成对光纤的切割，也很难制成压力传感器；法珀传感器的一个光学反射面是经腐蚀而成的弧形凹面，其反射性能不好，同样导致法珀传感器的光学性能较差，传感器反射条纹对比度小(＜10dB)，使测量精度受限；传感器包含2个焊点，其机械性能较差，插入损耗大，使复用能力也受限，光学性能较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种机械稳定性好、耐高温和光学性能好的光纤法珀传感器。
本发明还要提供一种上述光纤法珀传感器的制造方法，可以批量化、高成品率和高重复率的制造法珀传感器。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：光纤法珀传感器，包括光纤和被接光纤，在光纤或/和被接光纤的端面有微槽，光纤和被接光纤通过对接连接在一起，所述微槽形成FP腔，所述FP腔的光学反射面是平面。
进一步的，所述光纤法珀传感器的外端面与FP腔之间形成压力膜片，所述压力膜片的厚度小于30微米。
进一步的，所述光纤和被接光纤是采用石英、聚合物、宝石或光子晶体材料制成的单模或多模光纤。
光纤法珀传感器的制造方法，包括以下步骤：
A、在光纤或/和被接光纤的端面加工微槽；
B、将光纤和被接光纤的端面对接在一起，所述微槽形成FP腔，所述FP腔的光学反射面是平面，从而制成光纤法珀传感器。
进一步的，所述步骤B后还有步骤C：将光纤或被接光纤切掉一部分，使被切端面形成光纤法珀传感器的外端面，所述外端面与FP腔之间形成压力膜片，从而制成光纤法珀压力传感器。
更进一步的，步骤C所述外端面是平面。
进一步的，步骤C所述切掉是采用激光、超声波、切割刀或研磨方法切掉。
进一步的，步骤A所述加工是采用紫外激光加工、飞秒激光加工、红外激光加工或电子束刻蚀。
进一步的，步骤A所述微槽是圆柱形、长方体形或立方体形。
进一步的，步骤B所述对接是采用激光熔接、电弧熔接、镀膜对接或粘接。
本发明的有益效果是：本发明在基于石英、聚合物、宝石以及光子晶体材料等的单模或多模光纤端面上加工微槽，再在微槽外对接另一段光纤形成光纤法珀传感器，机械稳定性好且耐高温，并可实现FP腔的规模化批量制造，微槽被自然封装在光纤内部，省去了复杂的人工封装过程，并且不存在污染；从工艺先进性上看，本发明采用的激光加工工艺对任何种类的光纤都适用，生产效率高，可以实现大规模制造；本发明采用的激光加工工艺可以对光纤进行精确的切割，易于制成各种量程的压力传感器；本发明采用激光微加工工艺，传感器结构更加先进，其两个反射面都是平面，反射性能很好，传感器的光学性能极其优良；本发明的两段光纤都可以是普通单模光纤，它们之间完全兼容，制作的传感器的插入损耗很小，机械性能更好，可大规模复用；本发明的传感器只有一个焊点，其机械性能更好，插入损耗小，传感器反射条纹对比度可达10dB以上，光学性能极其优良。本发明的光纤法珀传感器可以作为温度、应变、压力、声波等多种传感器使用。
附图说明
图1是现有的光纤法珀传感器的剖视图。
图2是实施例1的光纤的剖视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是实施例1的光纤法珀温度、应变传感器的剖视图。
图5是实施例2的光纤的剖视图。
图6是实施例2的光纤法珀温度、应变传感器的剖视图。
图7是实施例4的光纤法珀压力传感器的剖视图。
图8是实施例5的光纤法珀压力传感器的剖视图。
图9是实施例1的光纤法珀温度、应变传感器的反射光谱图。
图10是实施例3的光纤法珀温度、应变传感器的反射光谱图。
具体实施方式
图1是现有的光纤法珀传感器的剖视图，是采用导管11将两段光纤连接在一起，机械稳定性不好，不耐高温，其制作主要依赖于手工制作和封装，其成品率和产品重复率得不到保证。
实施例1：制造光纤法珀温度、应变传感器
步骤1、在单模石英光纤1端面2上用飞秒激光加工一个长为10微米、宽为10微米的立方体形微槽3，槽深30微米，如图2和图3所示。
步骤2、在步骤1中加工的石英光纤1的微槽3外通过普通熔接机的电弧熔接一段单模石英光纤4，形成光纤法珀温度、应变传感器，如图4所示，该光纤法珀温度、应变传感器的反射光谱图如图9所示，反射条纹对比度达10dB以上。
使用时，可以将制成的光纤法珀温度、应变传感器封装在基底材料上使用，也可直接使用。
实施例2：制造光纤法珀温度、应变传感器
步骤1、在多模宝石光纤1端面2上用紫外激光加工一个圆柱形微槽3，如图5所示。
步骤2、在步骤1中加工的多模宝石光纤1的微槽3外对接一段多模宝石光纤4，该多模宝石光纤4的端面上加工了一个圆柱形微槽5。微槽3和微槽5相对对接，从而形成光纤法珀温度、应变传感器，如图6所示。
实施例3：制造光纤法珀温度、应变传感器
步骤1、在单模石英光纤1端面2上用紫外激光加工一个圆柱形微槽3。
步骤2、在步骤1中加工的石英光纤1的微槽3外熔接一段单模石英光纤4，形成光纤法珀温度、应变传感器，该光纤法珀温度、应变传感器的反射光谱图如图10所示，反射条纹对比度达25dB以上。
使用时，可以将制成的光纤法珀温度、应变传感器封装在基底材料上使用，也可直接使用。
实施例4：制造光纤法珀压力传感器
在实施例1制成光纤法珀温度、应变传感器的基础上，通过超声波切割在FP腔7一端的附近将光纤去掉一部分，使外端面6与FP腔7之间形成压力膜片8，从而制成光纤法珀压力传感器，如图7所示。
使用时，可以将制成的光纤法珀压力传感器封装在基底材料上使用，也可直接使用。
上述压力膜片8的厚度最好小于30微米，可根据不同压力测量范围和灵敏度需求来确定，当压力膜片8的厚度薄到一定程度时，就可以用来测量声波。
实施例5：制造光纤法珀压力传感器
在实施例2制成光纤法珀温度、应变传感器的基础上，通过研磨在FP腔7一端的附近将光纤去掉一部分，使外端面6与FP腔7之间形成压力膜片8，从而制成光纤法珀压力传感器，如图8所示。
实施例6：制造光纤法珀压力传感器
在实施例3制成光纤法珀温度、应变传感器的基础上，通过激光切割在FP腔7一端的附近将光纤去掉一部分，使外端面6与FP腔7之间形成压力膜片8，从而制成光纤法珀压力传感器。
如果外界压力较大，可以不用切割就可将温度、应变传感器直接用作压力传感器，此时压力传感器结构与温度、应变传感器结构相同。
本发明所描述的外端面6可以是垂直于光纤长度方向轴线的平面，也可以是与光纤长度方向轴线不垂直的平面。
上述所有实施例中的光纤由包层9、纤芯10构成，微槽3的横截面可大于、等于或小于光纤的纤芯10。

Claims (10)

1、光纤法珀传感器，包括光纤(1)和被接光纤(4)，在光纤(1)或/和被接光纤(4)的端面有微槽，光纤(1)和被接光纤(4)通过对接连接在一起，所述微槽形成FP腔(7)，其特征在于，所述FP腔(7)的光学反射面是平面。
2、如权利要求1所述的光纤法珀传感器，其特征在于，所述光纤法珀传感器的外端面(6)与FP腔(7)之间形成压力膜片(8)，所述压力膜片(8)的厚度小于30微米。
3、如权利要求1所述的光纤法珀传感器，其特征在于，所述光纤(1)和被接光纤(4)是采用石英、聚合物、宝石或光子晶体材料制成的单模或多模光纤。
4、权利要求1所述的光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、在光纤(1)或/和被接光纤(4)的端面(2)加工微槽(3)；
B、将光纤(1)和被接光纤(4)的端面(2)对接在一起，所述微槽(3)形成FP腔(7)，所述FP腔(7)的光学反射面是平面，从而制成光纤法珀传感器。
5、如权利要求4所述的光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤B后还有步骤C：将光纤(1)或被接光纤(4)切掉一部分，使被切端面形成光纤法珀传感器的外端面(6)，所述外端面(6)与FP腔(7)之间形成压力膜片(8)，从而制成光纤法珀压力传感器。
6、如权利要求5所述的光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于，步骤C所述外端面(6)是平面。
7、如权利要求5所述的光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于，步骤C所述切掉是采用激光、超声波、切割刀或研磨方法切掉。
8、如权利要求4所述的光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于，步骤A所述加工是采用紫外激光加工、飞秒激光加工、红外激光加工或电子束刻蚀。
9、如权利要求4所述的光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于，步骤A所述微槽(3)是圆柱形、长方体形或立方体形。
10、如权利要求4所述的光纤法珀传感器的制造方法，其特征在于，步骤B所述对接是采用激光熔接、电弧熔接、镀膜对接或粘接。
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