CN101424547B - 谐振式光纤珐珀传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光学性能好、量程可调的谐振式光纤法珀传感器，包括光纤和保护光纤，在光纤和保护光纤之间对接有光纤法珀谐振膜；所述光纤法珀谐振膜的端面镀有光热薄膜；所述保护光纤的端面有微槽，所述微槽设置在与光纤法珀谐振膜的对接面上；所述光纤或光纤法珀谐振膜的端面有槽，所述槽形成法珀腔，所述法珀腔的光学反射面是平面。本发明通过改变光纤法珀谐振膜的厚度或形状、硬质量中心的长短或重量，来改变量程；由于本发明的光学反射面是平面，因此光学性能好。本发明可以作为温度、压力、应变、磁场和振动传感器等。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种谐振式光纤珐珀(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)和珐珀腔干涉仪，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是采用导管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和WO2005121697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。
此外，这些传感器在测试过程中一般都需要通过测试光谱的方法来获取外界的物理量，因而整体测试系统成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光学性能好、量程可调的谐振式光纤法珀传感器。
本发明还要提供一种上述谐振式光纤法珀传感器的制造方法，可以批量化制造各种量程的法珀传感器。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：谐振式光纤珐珀传感器，包括光纤和保护光纤，在光纤和保护光纤之间对接有光纤法珀谐振膜；所述光纤法珀谐振膜的端面镀有光热薄膜；所述保护光纤的端面有微槽，所述微槽设置在与光纤法珀谐振膜的对接面上；所述光纤或光纤法珀谐振膜的端面有槽，所述槽形成法珀腔，所述法珀腔的光学反射面是平面。
本发明的有益效果是：本发明通过改变光纤法珀谐振膜的厚度或形状、硬质量中心的长短或重量，来改变本发明的量程；另外，由于本发明的光学反射面是平面，因此光学性能好。本发明可以作为温度、压力、应变、磁场和振动传感器等，当传感器感受到外界温度、压力、应变、磁场和振动等时，法珀谐振膜的自然谐振频率会发生改变，通过测试谐振膜的谐振频率就可以得到相应的测试量。
附图说明
图1是实施例1的步骤1所形成的光纤剖视图；
图2是实施例1的步骤2所形成的光纤剖视图；
图3是实施例1的谐振式光纤珐珀传感器的剖视图；
图4是实施例2的步骤2所形成的光纤剖视图；
图5是实施例2的步骤3所形成的光纤剖视图；
图6是实施例2的光纤法珀谐振感器的剖视图；
图7是本发明的另一种结构的剖视图；
图8是本发明的另一种结构的剖视图；
图9是实施例1的光纤法珀谐振传感器的反射光谱图；
图10是实施例2的光纤法珀谐振传感器的反射光谱图。
具体实施方式
实施例1：
步骤1、在单模石英光纤端面上用157nm紫外激光加工一个直径为40微米的圆柱形槽2，槽深30微米，如图1所示，在槽2底部镀上一层光热薄膜3作为激振介质；
步骤2、在步骤1中加工的槽2外通过普通熔接机的电弧熔接一段单模石英光纤1，槽2形成法珀腔5，如图2所示，该光纤法珀腔5的反射光谱图如图9所示，反射条纹对比度达20dB以上；
步骤3、在法珀腔5的外端面切割光纤，形成法珀谐振膜6，然后再在谐振膜6外端焊接端面有微槽9的保护光纤7，将法珀谐振膜6保护起来，就制成了本发明的谐振式光纤珐珀传感器，如图3所示。
上述光热薄膜3也可镀在法珀谐振膜6的另一面，即法珀谐振膜6与保护光纤7对接的这一面上，其具体步骤是：在上述步骤3的焊接保护光纤7之前，将光热薄膜3镀在切割后的光纤的这一面上。
上述传感器可以作为温度、压力和应变传感器，当传感器感受到外界温度、压力和应变、磁场、振动等时，法珀谐振膜6的自然谐振频率会发生改变，通过测试谐振膜6的谐振频率就可以得到相应的测试量。
实施例2：
步骤1、在多模光纤1端面上用飞秒激光加工一个直径为70微米的圆柱形槽2，槽深60微米；
步骤2、在多模光纤端面上用飞秒激光加工一个直径为40微米的突起8的光纤，如图4所示；
步骤3、将步骤1加工的光纤1通过熔接机电弧熔接步骤2加工的光纤，有突起8的这一端与有圆柱形槽2的一端对接，形成有硬质量中心的光纤法珀腔5，如图5所示，其中的硬质量中心就是上述突起8。该光纤法珀腔5的反射光谱图如图10所示，反射条纹对比度达23dB以上；
步骤4、在步骤3基础上，在法珀腔5的外端面切割光纤，形成法珀谐振膜6，然后再在谐振膜6外端镀上一层光热薄膜3作为激振介质，然后再焊接端面有微槽9的保护光纤7，将法珀谐振膜6保护起来，就制成了本发明的谐振式光纤珐珀传感器，如图6所示。
上述传感器可以作为温度、压力和应变、磁场、振动等传感器，比实施例1得到的传感器更加灵敏，因为有了硬质量中心后，应力可以在法珀谐振膜6上更集中，法珀谐振膜6变形更大。
当光从上述传感器的右端射入时，上述微槽9也可以作为珐珀腔。
本发明的珐珀腔5的非光学反射面可以加工成与光纤轴不垂直的斜面，以减少其反射光对珐珀腔5的干扰，提高测量精度；法珀谐振膜6可以是任意形状，如圆形、距形等，但最好是距形；另外，本发明还可以采用图7所示的结构；在实施例2中光热薄膜3也可镀在突起8的端面上，如图8所示，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.谐振式光纤珐珀传感器，包括光纤(1)和保护光纤(7)，其特征在于：在光纤(1)和保护光纤(7)之间对接有光纤法珀谐振膜(6)；所述光纤法珀谐振膜(6)的端面镀有光热薄膜(3)；所述保护光纤(7)的端面有微槽(9)，所述微槽(9)设置在与光纤法珀谐振膜(6)的对接面上；所述光纤(1)或光纤法珀谐振膜(6)的端面有槽(2)，所述槽(2)形成法珀腔(5)，所述法珀腔(5)的光学反射面是平面。
2.如权利要求1所述的谐振式光纤珐珀传感器，其特征在于：所述光纤法珀谐振膜是端面有突起(8)的光纤，所述突起(8)设置在槽(2)内。
3.如权利要求1所述的谐振式光纤珐珀传感器，其特征在于：所述光纤法珀谐振膜(6)厚度为0.1-100微米。
4.如权利要求1所述的谐振式光纤珐珀传感器，其特征在于：所述光纤(1)、保护光纤(7)和光纤法珀谐振膜(6)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。
5.如权利要求1所述的谐振式光纤珐珀传感器，其特征在于：所述法珀腔(5)的非光学反射面是与光纤轴不垂直的斜面。
6.谐振式光纤珐珀传感器的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)在光纤端面上加工一个槽(2)；
2)在步骤1中加工的槽(2)外对接一段光纤(1)，槽(2)形成法珀腔(5)；
3)在法珀腔(5)的外端面切割光纤，形成光纤法珀谐振膜(6)，然后再在光纤法珀谐振膜(6)外端对接端面有微槽(9)的保护光纤(7)，就制成了本发明的谐振式光纤珐珀传感器；
光热薄膜(3)在上述步骤1后的槽(2)底部镀上，或在上述步骤3的对接保护光纤(7)之前镀上，将光热薄膜(3)镀在切割后的光纤的这一面上。
7.如权利要求6所述的谐振式光纤珐珀传感器的制造方法，其特征在于：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。
8.如权利要求6所述的谐振式光纤珐珀传感器的制造方法，其特征在于：所述切割是采用激光、超声波、切割刀或研磨方法切割。
9.如权利要求6所述的谐振式光纤珐珀传感器的制造方法，其特征在于：所述槽(2)和微槽(9)是圆柱形、长方体形或立方体形。
10.如权利要求6所述的谐振式光纤珐珀传感器的制造方法，其特征在于：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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