CN102483337A - 一种光纤传感器及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种超结构布拉格光纤光栅(SFBG)，对光纤金属膜用激光辅助进行直写。一种激光直写方法，用于在已有的FBG非水平表面上形成银纳米周期性薄膜。银薄膜厚约9μm，沿FBG四周分布。SFBG的性能研究是以施加在光纤上的温度和张力为基础。一种新开发的光学-机械模型，用于在热度和结构负载条件下预测合成SFBG的光学响应。反射光谱中的边带反射率在热度和结构负载的影响下可达到20％和37％。此外，已有的SFBG被用于同步测量力学和温度，消除传统FBG在多参数感应上的自身缺陷。

Description

一种光纤传感器及制造方法

有关申请的对照资料

本申请主张于2009年7月16日提交的美国临时专利申请NO.61/213,796的权益，该专利申请在此全部引用作为参考。

技术领域

本说明总体介绍一种光纤传感器及其制造工艺。具体来讲，本说明涉及一种光纤传感器，它能使用同一数据源，在光纤的一个或多个预定位置同时检测和测量多项标准，并且还涉及到一种制成光纤传感器的方法。

背景技术

光纤传感器特别是布拉格光纤光栅(FBG)在技术上是已知的。FBG是光纤的一种，它的光谱响应受实际应变和温度的影响。因此，现有的FBG可以用来测量应力或温度的变化。光纤传感器(如FBG)的这些独特功能促进了光纤传感装置的应用。光纤传感器的特性包括重量轻、体积小、使用寿命长、线性延伸长、抗电磁干扰、抗腐蚀等。尽管具有这些激励性特点，但现有的FBG技术和应用还是存在一定的局限性和问题。现有FBG技术的其中一个问题是，当传感器光响应中的应变与温度效应耦合时，会影响测量的可靠性和准确性。

可以发明一种光纤感应器，能在光纤上一个或多个同源的预定位置同时检测和测量多项标准。

发明内容

本说明中实施方案的目标之一是可以避免或减轻旧有的光纤传感器中的至少一个缺点。

本说明介绍了新FBG传感设备的建模、设计和制造。它可应用于结构测量、故障诊断、温度测量及压力监测等用途，还可用于医疗设备中，例如癌症诊断。它还将可能用于航天结构、桥梁结构、建筑等的结构健康监测，油井和气井的井下测量，以及地震震级测量。

为了能让光学传感器具有同时测量浓度和温度的能力，先要使FBG对折射率敏感并保持其热敏度不受影响。考虑到FBG的特性，还可能将传感器嵌入到金属零件中进行原位负载监测。很多行业都可以借助这项技术获益，如机床加工、航空航天以及汽车行业。

设备制造采用激光微加工方法。FBG传感装置的开发采用了两种工艺：叠加法和减色法。叠加法用于纤维金属薄膜的沉积，减色法是基于外围光纤材料的选择性去除。

为了解决FBG中的温度-应变耦合问题，设计并制成了纤维金属薄膜的超结构布拉格光纤光栅(SFBG)。SFBG能同时测量应变和温度。为了设计传感装置和分析传感器性能，开发了一项监测热度和结构的FBG光学机械模型。模型基于光纤的光测弹性和热光等性能。当FBG面对均匀和不均匀分布的结构负载和温度变化时，可利用模型预测它的光学反应。模型还可为SFBG提供光反应，使其折射率沿光纤产生二次周期性。利用已开发的FBG光机械模型开展纤维薄膜传感器的设计。

一种名为激光辅助无掩膜微沉积(LAMM)的激光直写(DW)方法可用于将薄膜选择性地沉积到光纤上，直接叠加或分层制造法——无论是否是基于激光的方法——都可用于光纤薄膜的成型。

飞秒激光微加工和氢氟酸蚀刻减色法也成功用于传感器制造。为此，在常规FBG包层中要进行定期微沟槽印刻，以便提高它们对周围环境浓度的灵敏度，同时保持完整的热敏度。这种传感器在生物医学研究中的应用有很大的潜力，其中要对生物分析物的性能进行原位测量。

本说明中介绍了FBG传感器的另一种用途，即利用低温嵌入工艺嵌入到金属部件中，用于结构健康监测。在这里，可利用光机械模型预测嵌入的FBG的光响应。嵌入工艺包括低温铸造、纤维薄膜沉积以及电镀工艺。

第一：本说明介绍了一种光纤传感器，其特点是能在光纤传感器上的一个或多个预定位置同时检测多项标准。

特征1：传感器能同时检测两项标准，这两项标准是从多项标准组合中选出的，这些组合包括温度和应变、温度和应力、温度和压力、温度和强度、温度和氢含量，以及温度和湿度。

特征2：光纤是一种FBG光纤，外层被布设了多个涂层。

特征3：光纤是一种FBG光纤，它的首端连接到一个只能识别反射光的频谱信号分析仪。

特征4：多涂层沿光纤长度等距排列。

特征5：多涂层沿光纤长度非等距排列。

特征6：多涂层由第一涂层组和第二涂层组组成，第一涂层组沿光纤长度等距分布，第二涂层组沿光纤长度非等距分布。

特征7：多涂层是一层厚度达到200μm的薄膜。

特征8：多涂层是一层厚度约9μm的薄膜。

特征9：多涂层是一种导电元素，选自钛、银、金、铂、铝、锌、镁、铜、铁、铬、镍、钯、铅及其组合。

特征10：多涂层是银。

特征11：多涂层是聚合材料。

特征12：多涂层长约1.5毫米，相邻的涂层间隔0.5毫米。

特征13：多涂层的长度是光纤传感器光栅长度的三分之一，相邻的涂层间隔也是光栅长度的三分之一。

特征14：光纤表面周围有多个半径递减带。

特征15：光纤表面到递减带底部的深度达40μm。

特征16：每个多元带长达光纤传感器光栅长度的三分之一，相邻带的间隔也是光栅长度的三分之一。

特征17：多元带沿光纤长度等距分布。

特征18：多元带沿光纤长度非等距分布。

特征19：多元带包括第一带组和第二带组，第一带组沿光纤长度等距分布，第二带组沿光纤长度非等距分布。

特征20：多项标准选自多个组合，这些组合包括温度和应变、温度和强度、温度和应力、温度和压力，以及温度和液体浓度。

第二：本发明提供了一种制造光纤传感器的方法，使光纤传感器能在一个或多个预定位置同时检测多项标准，这个方法包括将至少一个薄涂层用于一个非平滑表面。

特征1：涂层的应用流程选自以下流程，包括：直写、直接沉积、直接印刷、逐层沉积、直接叠加制造、实体无模制造及分层制造。

特征2：使用激光加工。

特征3：涂层适用于激光直写。

特征4：激光直写是指激光辅助无掩模微沉积法。

特征5：多项标准是从以下各组合中选出的，包括：温度和应变、温度和应力、温度和压力、温度和氢含量，以及温度和湿度。

第三：本说明介绍了一种光纤传感器的制造工艺，使光纤传感器能在一个或多个预定位置同时检测多项标准，该工艺包括去除光纤表面材料。

特征1：用飞秒激光蚀刻技术去除光纤表面的材料涂层。

特征2：选择性的利用氢氟酸蚀刻法去除光纤表面的材料涂层。

特征3：可从以下组合中选出一项或多项标准：温度和应变、温度和强度、温度和应力、温度和压力，以及温度和液体浓度。

特征4：去除光纤周围的材料，沿光纤形成圆周形多元带，从光纤表面算起，形成的多元带深度可达40μm。

特征5：多元带长达光纤光栅长度的三分之一，相邻带的间隔也是光栅长度的三分之一。

通过结合下面的实例描述和图表，对一般技术熟练的人来讲，本说明的其他方面和特点就一目了然了。

附图说明

本说明仅以举例方式进行介绍，参照附图。

图1描述了超结构FBG的反射光谱图。

图2描述一种被周期性金属涂层覆盖的光纤按一定间距布设及其对平均折射率的影响。

图3介绍了不同类型(广义周期、质量和涂层厚度)的镀金属周期性光纤。同时，图3还介绍了SFBG相应的反射光谱；

图4用圆柱坐标系统来解释光纤和镀金属；

图5描述了在不同张力作用下，参数K^变量沿光纤的变化情况；

图6描述了在不同温度下，参数K^沿光纤的变化情况；

图7描述了附着于FBG的周期性银薄膜的几何尺寸；

图8描述了在不同负载情况下，SFBG的反射光谱图；

图9描述了SFBG在受力情况下的反射率图；

图10描述了SFBG在受力情况下的布拉格波长图；

图11描述了受温度影响的SFBG反射光谱图；

图12描述了受温度影响的SFBG反射率图；

图13描述了受温度影响的SFBG布拉格波长图；

图14介绍了SFBG的结构和热负荷测试装置；

图15描述了附加银薄膜前后，FBG反射率示意图；

图16描述了在热循环环境下，受布拉格波长影响的反射率示意图；

图17描述了受温度影响的布拉格波长示意图；

图18描述了受温度影响的镀膜和不镀膜的SFBG段应变组分图解；

图19描述了在拉伸负载情况下，受布拉格波长影响的反射率示意图.；

图20描述了受张力影响的布拉格波长示意图。

图21是受张力和温度共同影响的SFBG反射光谱示意图；

图22是在张力和温度的共同影响下，受布拉格波长影响的SFBG反射率示意图；

图23是在张力和温度的共同影响下，受温度影响的SFBG布拉格波长示意图；

图24是SFBG衡量应变和温度时的典型特征曲线；

图25介绍了在FBG设备上沉积银薄膜的LAMM设备；

图26介绍了光纤安装的旋转台；

图27介绍了纳米颗粒的烧结机制；

图28描述了LAMM系统的典型沉积模式；

图29是图28中沉积模式的分析图；

图30a是用5kX倍率的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观测到的1.35W功率烧结的银薄膜微结构图；

图30b是用20kX倍率的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观测到的1.35W功率烧结的银薄膜微结构图；

图31a是用5kX倍率的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观测到的3.28W功率烧结的银薄膜微结构图；

图31b是用20kX倍率的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观测到的3.28W功率烧结的银薄膜微结构图；

图32介绍了银薄膜的XRD光谱；

图33介绍了与(200)衬垫相匹配的XRD光谱放大峰值；

图34介绍了银薄膜的纳米压痕剖面；

图35描述了纳米压痕测试中的负载-位移图；

图36介绍了银薄膜的硬度受激光功率影响；

图37描述了银薄膜的弹性模量受激光功率影响；

图38描述了光纤的LAMM沉积路径；

图39a是薄膜在带沉积喷嘴的光纤上的沉积过程剖视图；

图39b是图5a中薄膜沉积完成后将光纤旋转90度的剖视图，这样可以使涂层厚度分布均匀；

图40描述了周期性银薄膜在光纤上的沉积过程中，LAMM沉积头的变化情况；

图41描述了FBG周期性镀银情况；

图42描述了光纤上沉积的薄膜直径；

图43描述了飞秒激光工作站设备；

图44a描述了图43中飞秒激光工作站的示意图；

图44b描述了飞秒激光束和FBG；

图45介绍了根据激光扫描速度为5um/s时的平均功率，蚀刻于水平硅酸衬底上的微沟槽宽度示意图；

图46描述了光纤以及蚀刻于光纤上的微机械沟槽；

图47描述了四种光纤，每种光纤都具有多个沟槽，且沟槽与沟槽深度间距不同。

具体实施方式

概括来讲，本说明介绍了一种能在光纤上的一个或多个预定位置(也称为具体位置)同时检测和测量多项物理标准的光纤传感器，以及一种制成这类光纤传感器的方法。

FBG具有在周期L内沿光纤核心调节折射率的功能，这已经被广泛应用于物理参数和过滤的检测。FBG传感器可用于测量强度、应力、应变、压力和温度，这些功能是基于FBG对应变和温度的光学敏度。与传统的电子和电磁装置相比，FBG具有相当大的优势，主要体现在重量轻、体积小、使用寿命长、远程线性、抗外界电磁腐蚀等方面。

SFBG是一种折射率调节不均匀但沿光纤周期性(周期比初始光栅大)变化的FBG。如图1所示，这一特性会在反射光谱中产生周期性间隔边带，这在光纤激光器、可调滤波器以及多参数传感器等领域有着广泛应用。采用紫外辐射进行光栅蚀刻时，FBG可以借鉴折射率的长周期变化。尽管SFBG可用于上述多种用途，但总体而言，边带强度是固定的，并且不可调节。此外，对于多参数传感来说，可以捕捉到传输信号，并对之进行分析，而不是通过反射光谱来分析。更进一步来讲，例如可以通过在光纤上制作周期金属薄膜来实现可调节SFBG的概念。

在SFBG中，沿纤维轴的折射率调节周期性很强，同时沿纤维轴的周期(通常大于100μm)比沿光栅的周期要长。折射率的长周期变化导致了SFBG反射光谱中等距边带的形成。

如图2所示，SFBG还可通过在FBG上沉积周期性金属膜来实现。沉积有金属纤维薄膜的SFBG，当光纤受轴向力(F)或者加热/制冷(ΔT)影响时会导致应变沿光栅呈周期性分布，这是由薄膜和光纤的几何尺寸以及热膨胀差异引起的。应变组分沿光栅呈周期性分布导致了平均折射率

的周期性变化(由于光侧弹性的影响)。除折射率外，光栅间距(Λ)沿光纤周期变化。间隔分布在FBG上并被金属覆盖的边带，可由相位匹配条件得出：

FBG上的镀金属薄膜可用于低温情况下的色散补偿、可调节布拉格光栅以及增敏。电解沉积、溅射、电子束蒸发、电镀技术等传统技术可用于沉积Ti，Ag，Au，Pt，Zi，和Cu镀膜。据设想，高分子材料也可用于薄膜涂料。

通过改变沉积模式(图3)的周期、长度、材料和厚度，可以产生各种SFBG。如此产生的SFBG将拥有特殊的反射光谱，可测量多重参数。同时，设计参数有镀膜的几何参数t，t₁，t₂，r_f，r_c1，r_c2，r_c3，b，w，w₁，w₂，w_i和镀膜材料的机械性能，如弹性模量和热膨胀系数。

多参数测量实例预测的不完全清单：

1.应变和温度

2.应力和温度

3.强度和温度

4.压力和温度

5.氢(H₂)含量和温度(比如使用钯涂料)

6.气敏元件和温度传感器：当光纤接触到这种气体，并且受到应变时，任何涂料适用材料都会膨胀。

7.相对湿度和相对温度：接触到这种气体，并且受到应变时，任何涂料适用材料(比如湿度敏感聚合物)都会膨胀。

在第一个实例中，一种具有多重参数传感能力的SFBG是通过将周期性金属薄膜沉积到传统FBG上而制成的。例如通过使用激光辅助无掩膜微沉积(LAMM)技术来制成金属薄膜，这是一种激光直写(DW)方法。与传统的镀膜技术相比，无掩膜直写方法总体上更快捷、更灵活。LAMM技术中，某种金属(比如银)的纳米颗粒悬浮液会被用于分层沉积，同时纳米颗粒沉积后用激光束和/或熔炉进行烧结。

SFBG反射光谱中的周期间隔边带已被广泛用于光纤激光器和可调写滤波器中。与采用紫外光照射法制成的SFBG相比，含有纤维膜的SFBG边带折射率可以通过温度和外力的改变来调节。Ahuja等人的论文《Tunable Single Phase-Shiftedand Superstructure Gratings Using Microfabricated On-Fiber Thin Film Heaters》，对可调节SFBG的概念(通过在光纤上制造金属薄膜而实现)进行了详细阐述，这篇文章发表于Optics Communications，vol.184，pp.119-125，2000，该文内容以引用的形式并入本文。Ahuja等人建议将SFBG用于波分复用、光学传感、光纤激光器。文章指出，可以通过电子束蒸发法将具有周期性可变直径的金薄膜沉积在预沉积的钛纤维薄膜上。Ahuja认为焦耳加热会使温度沿光纤周期性分布。这就使通过电流调节边带反射率成为了可能。尽管Ahuja就光纤上沉积薄膜的问题进行了论述，但是他并没有详细论述如何采用文中提到的一种薄膜来达到文中所说的效果。

从感应的角度来看，有周期性金属镀层的SFBG可用于同步参数测量，消除了FBG在热度和结构测量上存在的自身局限性。SFBG产生的边带强度主要受光纤的适用温度和强度影响。边带强度和布拉格波长位移相结合可用于识别温度和应变的组合效应。紫外诱变SFBG已经用于多参数感知。在Guan等人共同发表的《Simultaneous Strain and Temperature Measurement Using a Superstructure FiberBragg Grating》(IEEE Photonics Technology Letters，vol.12，no.6，pp.675-677，1997)一文中，该文内容以引用的方式并入本文中，受紫外线影响的SFBG透射谱可用于同时测量应变和温度。测量的根据是对包层模连接产生的衰减频段的分析结果。然而，基于某些原因，基于紫外线的SFBG并不具有优势，如文中所述需要获取反射和透射紫外线，因此传感设备不便将SFBG的两端与基于紫外线的SFBG连接。目前，光纤传感器只需要将光纤的一端与传感设备相连接，如只能读取反射光的频谱信号分析仪。

在发明中，采用LAMM工艺制造纤维薄膜。

为让SFBG具有多参数传感能力，开发了一种光学-机械模型。该模型包括两部分：(1)SFBG的结构模型，用于判断光纤应力和应变状态；(2)基于弹光效应和热光效应组成的光学-机械模型，用于观察SFBG反射光谱。

受外力和温度变化影响的SFBG结构模型是基于光纤以ΔT非匀速加热且受轴向张力F影响的假设。该方法类似于模拟在结构负载和温度变化情况下的厚壁桶。图4介绍了圆柱坐标系(r，θ，z)下的镀膜光纤段。假设光纤直径为rf，镀膜厚度为t＝r_c-r_f。

由于对称性，所以q方向的位移分量(v)忽略不计；由于各点离两端较远，因此径向和轴向位移(u，w)对z的依赖性较小。由于点的对称性，横波分量也为零。应变-位移关系如下所示：

$e_{\mathrm{rr}}=\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dr}}$

$e_{\mathrm{\θ\θ}}=\frac{u}{r}---\left(2\right)$

因此，e_rr和e_θθ相互关系如下：

$\frac{d}{\mathrm{dr}\left({\mathrm{re}}_{\mathrm{\θ\θ}}\right)}=e_{\mathrm{rr}}---\left(3\right)$

根据平衡条件，径向和水平方向的应力分量σ_rr和σ_θθ关系如下：

$r\frac{d{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}}{\mathrm{dr}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}---\left(4\right)$

可得出：

$\frac{d}{\mathrm{dr}\left({\mathrm{r\σ}}_{\mathrm{rr}}\right)}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}---\left(5\right)$

应力-应变-温度之间的关系如

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{rr}}\\ e_{\mathrm{\θ\θ}}\\ e_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]=\frac{1}{E}\left[\begin{array}{ccc}1& -v& -v\\ -v& 1& -v\\ -v& -v& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中n代表泊松比，E代表弹性模量，α代表热膨胀系数。合并(3)和(5)，并用公式(6)，通过以下方法求得光纤和涂层应变分量：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^f=\frac{-{\mathrm{\α}}_f{E}_f}{2(1-v_f)}\mathrm{\ΔT}+C_1^f$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^f=\frac{-{\mathrm{\α}}_f{E}_f}{2(1-v_f)}\mathrm{\ΔT}+C_1^f---\left(7\right)$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^c=\frac{-{\mathrm{\α}}_c{E}_c}{2(1-v_c)}\mathrm{\ΔT}+C_1^c(1-\frac{r_f^2}{r^2})+\frac{c_2^c}{r^2}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^c=\frac{-{\mathrm{\α}}_c{E}_c}{2(1-v_c)}\mathrm{\ΔT}+C_1^c(1-\frac{r_f^2}{r^2})+\frac{c_2^c}{r^2}$

其中

和

为积分常数，上标的f和c分别表示与光纤和涂层有关。考虑到下述的边界条件：

$e_{\mathrm{zz}}^f=e_{\mathrm{zz}}^c$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}^f{A}_f+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}^c{A}_c=F$

可以得出

和

并代入(7)和(6)公式中计算应变分量。

结构建模所得出的结果将用于开发光学-机械模型，使用(9)计算折射的各向异性指数，在镀膜和非镀膜光纤段使用(10)求修改后的折射有效模式指数。

${\mathrm{\Δn}}_1=-\frac{n_1^3}{2}(p_{11}{e}_1+p_{12}(e_2+e_3))+\left(\frac{\∂n}{\∂T}\right)\mathrm{\ΔT}+\frac{n_1^3}{2(p_{11}+{2p}_{12})\mathrm{\α\ΔT}}$

${\mathrm{\Δn}}_2=-\frac{n_2^3}{2}(p_{11}{e}_2+p_{12}(e_1+e_3))+\left(\frac{\∂n}{\∂T}\right)\mathrm{\ΔT}+\frac{n_2^3}{2(p_{11}+{2p}_{12})\mathrm{\α\ΔT}}$

${\mathrm{\Δn}}_3=-\frac{n_3^3}{2}(p_{11}{e}_3+p_{12}(e_1+e_2))+\left(\frac{\∂n}{\∂T}\right)\mathrm{\ΔT}+\frac{n_3^3}{2(p_{11}+{2p}_{12})\mathrm{\α\ΔT}}$

${\mathrm{\Δn}}_4=-n_4^3\frac{(p_{11}-p_{12})}{4}{e}_4---\left(9\right)$

${\mathrm{\Δn}}_5=-n_5^3\frac{(p_{11}-p_{12})}{4}{e}_5$

${\mathrm{\Δn}}_6=-n_6^3\frac{(p_{11}-p_{12})}{4}{e}_6$

${\mathrm{\Δn}}_{e{\mathrm{ff}}_1}=-\frac{n_{{\mathrm{eff}}_1}^3}{2}(p_{11}{e}_2+p_{12}(e_1+e_2))+\left(\frac{\∂n}{\∂T}\right)\mathrm{\ΔT}+\frac{n_{{\mathrm{eff}}_1}^3}{2(p_{11}+{2p}_{12})\mathrm{\α\ΔT}}---\left(10\right)$

${\mathrm{\Δn}}_{e{\mathrm{ff}}_{12}}=-\frac{n_{{\mathrm{eff}}_2}^3}{2}(p_{11}{e}_3+p_{12}(e_1+e_2))+\left(\frac{\∂n}{\∂T}\right)\mathrm{\ΔT}+\frac{n_{{\mathrm{eff}}_2}^3}{2(p_{11}+{2p}_{12})\mathrm{\α\ΔT}}$

其中e₁，e₂和e₃是应变分量，p₁₁和p₁₂是光弹性常数。

然后，通过解耦合模式方程求出SFBG的光谱灵敏度。耦合模式方程如下：

$\frac{\mathrm{dp}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}={\mathrm{iK}}_{\mathrm{AC}}{p}^2+2i(\frac{{2\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}-\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}-\frac{1}{2}\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dz}}+K_{\mathrm{dc}})\mathrm{\ρ}+{\mathrm{iK}}_{\mathrm{AC}}---\left(11\right)$

在黎卡提方程中，ρ指反射传播波形幅度与发射传播波形幅度的比值。Φ是光栅啁啾，K_dc和K_AC同指耦合系数。Z是指沿光纤轴方向。每个波长的反射率为(r(λ))可根据下式求得：

r(λ)＝|ρ(-L/2)|²    (12)

边界条件为：

ρ(L/2)＝0    (13)

其中L指光栅长度。

直接用积分解黎卡提方程(11)，为此MATLAB开发了一种四阶Runge-Kutta算法。仿真结果用于考察不同参数对SFBG传感器光响应的影响。仿真计算中使用的光学常数如表1所示。FBG的值从外部供应商获得。

(11)中的系数 $\hat{K}=\frac{{2\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}-\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}-\frac{\mathrm{d\Φ}}{2\mathrm{dz}}+K_{\mathrm{dc}}$

如图5和图6所示，通过对波长为1550nm的FBG施加不同的外力和温度得出系数的变化情况。假设原型光栅为高斯变迹光栅。图7对周期性间隔的给光型银质镀层进行了图解，镀层的厚度约为9μm，周期为2mm。假设将七层银薄膜布设到长度为14mm的光栅上，那么镀膜段的长度为1.5mm。

如图5、图6所示，K^随着相同周期的薄膜变化而变化，它的振幅随着外力和温度增加而变大。

当FBG小于强度F时，由于非镀膜段的应变较大，因此光纤镀膜段的

要小于非镀膜段。

随着温度升高，镀膜段的

要比非镀膜段大，原因在于热膨胀系数的差异使镀膜段光纤具有更大的应变分量。

表1：模型常数

图8介绍了受实际轴向负载的影响，银薄膜厚度为5、7，和9μm的SFBG反射光谱。图7中介绍了SFBG设计的模拟。镀银长度为1.5mm，周期为2mm。图9和图10分别描述了在薄膜厚度不同的情况下，SFBG第一上边带的反射率和布拉格波长受实际轴向负载影响情况。表2中不同厚度的薄膜中，布拉格波长灵敏度与轴向负载的比值。由于薄膜厚度的增加，布拉格波长的灵敏度与实际轴线负载的比值减小。薄膜厚度为1μm时，灵敏度为1.32nm/N，而当厚度为15μm时，灵敏度降为1.05nm/N。薄膜厚度的增加导致平均应变沿光栅减少，平均应变沿光栅减少致使布拉格波长灵敏度衰减。边带的反射率灵敏度将随薄膜厚度的增加而增强，而反射率受轴向力影响的变化趋势并不呈线状。薄膜厚度见之于应变沿光栅的周期性变化幅度。

表2：不同厚度薄膜的布拉格波长灵敏度与轴向负载的对比情况

图11是不同温度下的反射光谱。图12和图13是布拉格波长与温度和反射率与温度的对比图。表3总结了不同厚度的薄膜中布拉格波长灵敏度与温度的比值。当薄膜厚度为15μm时，布拉格波长的热敏度即布拉格波长与温度的比值从14.2pm/℃(薄膜厚度为1μm)增加到18.8pm/℃。此外，边带折射灵敏度随着薄膜厚度的增加而增强。

表3不同厚度薄膜中布拉格波长灵敏度与温度的比值

张力和温度能够改变边带的反射率和布拉格波长。边带反射灵敏度与温度和张力的比值由周期性薄膜的几何特征决定。较厚的涂层会沿光纤提高折射率周期变化的幅度，幅度的提高会提高灵敏度。

银纳米颗粒在沉积和激光烧结后，涂层和镀膜光纤将产生残余应力，这将改变空载情况下镀膜光纤的光谱响应。但是目前的仿真模型中残余应力通常忽略不计。

SFBG可通过在传统FBG外表面沉积银涂层制成。根据LAMM和银薄膜的几何学、微结构等特点，下文将详细论述沉积的过程。选定一个光栅长度为14mm的FBG进行实验，FBG有负载循环周期为3/4的七层银膜，图7详细介绍了银膜的几何特征。

对于光谱响应分析，在不同温度条件下，对SFBG进行轴向负载，以此来同时研究外力和温度的影响。针对轴向负载，如图14所示，将光纤安装在试验台上，而试验台分别与电动定位台和测压仪器连接，电动定位台的精度为1μm。FBG的光栅段安置在靠近工艺室的热电模块的地方，以便利用热电偶来测量并控制温度。

图15对比了镀银前后的SFBG反射光谱。通过两图的对比，可以看出银薄膜沉积后反射率中有边带存在，这是因为在纳米颗粒集聚和烧结之后在光纤中形成了残余应力。纳米颗粒烧结包括溶剂蒸发和厚度缩减，这将在薄膜和光纤中形成应力。此外，在烧结后和冷却过程中，由于银和硅酸热膨胀系数(α银＝18.9×10-6℃-1α硅酸＝0.55×10-6℃-1)不同，银薄膜/光纤中会形成应力/压应力。在图15中，波长间隔的反射峰值约为400pm，这与(1)中Γ＝2mm的结果相吻合。由于光纤镀膜段存在压力，使布拉格波长向较低波段转移。图15绘出了建模所得到的图形，说明了建模结果和实验结果很吻合。

图15对比了镀银前后的SFBG反射光谱。通过两图的对比，可以看出银薄膜沉积后反射率中有边带存在，这是因为在纳米颗粒集聚和烧结之后在光纤中形成了残余应力。纳米颗粒烧结包括溶剂蒸发和厚度缩减，这将在薄膜和光纤中形成应力。此外，在烧结后和冷却过程中，由于银和硅酸热膨胀系数(α银＝18.9×10-6℃-1α硅酸＝0.55×10-6℃-1)不同，银薄膜/光纤中会形成应力/压应力。在图15中，波长间隔的反射峰值约为400pm，这与(1)中Γ＝2mm的结果相吻合。由于光纤镀膜段存在压力，使布拉格波长向较低波段转移。图15绘出了建模所得到的图形，说明了建模结果和实验结果很吻合。

图16介绍了在热循环温度为45℃-85℃时，受布拉格波长影响的上边带反射率变化情况。据观察，当温度低于45℃时，反射率响应曲线有滞后性，这是因为银薄膜上存在微孔隙。当温度高于45℃时，反射率随着温度的升高而降低，从20％降到3％。

图17描述了布拉格波长如何转变为温度的线性函数，其灵敏度为17.3pm/℃。此外，用建模得到的结果绘制了图16和图17，表明建模和实验结果之间的误差为5％。反射率与温度的相互影响变化与应变分量沿光纤变化的幅度变化相同。如上所述，银薄膜沉积和激光烧结在镀膜光纤段内产生残余应力。这将使应变呈周期性分布，因此n_eff和Λ沿光纤周期性变化。加热时，银薄膜的应力状态由张力转变成压力，而光纤正好与此相反。光纤的非镀膜段，应变分量产生于热膨胀等于α_silicaΔT。图18大致描绘了FBG镀膜段和非镀膜段的应变分量。如图所示，应变分量之间的差异随温度缩减，这将使n_eff和Λ的浮动范围随系数

而减小。

FBG可测量的结构参数是应变。向光纤施加轴向荷载会产生应变。施加轴向荷载的方法很多，但为了施加轴向荷载，需将SFBG安装在测试台上，同时对光纤施加0-0.9N的拉伸负载。图19解释了拉伸负载过程中，当温度为45℃时，受布拉格波长影响的第一上边带的反射率情况。根据图19，通过施加0.9N拉伸荷载，反射率提高了32％。由于周期性薄膜的存在，光纤受张力后使周期性应变沿光栅分布。张力会提高周期性应变的分布范围，即提高n_eff和Λ的分布范围，分布范围的提高会增强边带的反射率。图中的光学-机械建模得出的结果与实验数据相吻合。

图20描述了受轴向力影响，相应布拉格波长的位移变化。布拉格波长位移的灵敏度为1.2nm/N，与建模结果有9％的偏差。布拉格波长变化的线性性质表明银薄膜在弹性区域内，同时银薄膜不存在裂隙或者脱落情况。

需要注意的是建模图的性质由光纤镀膜段产生的初始残余应力决定。在本研究分析过程中，将建模以实验数据为依据进行调整，建模调整是一个选择最佳初始残余应力的过程。尽管对建模进行了调整，建模仍可预测调整的梯度和趋势。计算残余应力分量的精确值需分析薄膜的微结构。

同时，对现有的SFBG传感器同步测量应变和温度的能力进行调查分析，实验结果参照图21和图23。图21分析了不同温度和张力影响下的SFBG光谱变化情况，图中明确显示结构负载和温度可以使布拉格波长发生位移。如上所述，结构负载和诱导光纤的应变可增加边带的反射率。但反过来，温度也会影响反射率，这一特性使单个FBG具备了同时测量应变和温度的能力。图22是多参数传感中的SFBG反射率与布拉格波长的对比组图，对比组图表示热循环环境下，分别测得的传感器受张力影响的反射率和布拉格波长。

当传感器受张力和温度变化影响时，从图22中可以直接得出应变，确定图中布拉格波长和反射率所对应的张力图。光纤的应变与施加的外力有关。通过图23：布拉格波长与温度对比曲线图可以得出温度。

类似于图22和23，每个传感器都有一组特征曲线，使它具备多参数测量的能力。特征曲线是分别对反射率与布拉格波长和布拉格波长与温度进行对比而形成的。图24是特征曲线示意图，由一系列常数-应变曲线组成。应变可以用反射率与.布拉格波长对比图(图24a)得出，而温度是通过布拉格波长与温度对比图中对应的恒应变曲线得出。

实验结果表明，在45℃到90℃的温度范围内和0N至1.75N的轴向力范围内，已有的SFBG可以同时监测温度和应变。相比用FBG同步测量应变和温度、进行温度影响补偿两方面的先进技术，现有的SFBG传感器具有显著特性，其中之一是可利用FBG单个反射光谱测量两项参数。因此，与多传感器(比如采用两个FBG或者整合FBG—法布里-珀罗共振器)方法相比，新传感器不会增加数据的采集量。此外，已有的SFBG可用于同时测量应变和温度，同时还可用于温度补偿。

在包装问题上，新传感器的体积并没有比原有的FBG大多少，只是在光纤上增加了微米薄膜层，实现小型化包装。因此，新传感器不需要使用专门的包装技术。这对双材料包装方式进行了改进，避免使传感器设备包装体积过大。

如上所述，这种薄膜制造方法会使薄膜和光纤产生残余应力，从而在反射光谱中形成残余边带。制定系统校准程序要知道残余应力的数值，数值可通过纳米颗粒烧结模型和薄膜晶体结构分析得出。为了将薄膜中残余应力等级与几何特征、工艺参数相结合，需要制定表征方案。

对含有周期间隔银纤维薄膜的SFBG，前面论述了它的建模和设计。LAMM工艺已成功用于银纤维薄膜沉积，沉积厚度为9μm。经测试，已经证明现有的SFBG可同时测量应变和温度。为了分析现有传感器的应变灵敏度，将SFBG传感器安装在实验台上，同时对它施加轴向负荷。边带在SFBG的反射光谱上等距分布，边带密度可随温度和应变的变化进行调整。通过分别读取边带反射率和布拉格波长位移数值来区分反射光谱中温度和应变的不同影响。通过系统特征曲线对SFBG传感器进行校准，这些特征曲线包括边带反射率与布拉格波长以及布拉格波长与温度的对比曲线。

在FBG传感器开发过程中采用了两种基于激光的方法-叠加法和减色法，目的是提高FBG的灵敏度，并开发新的传感器。叠加法是在FBG的外表面制造特殊类型的薄膜，而减色法则有选择性的去除FBG熔覆层。叠加法和减色法分别利用了激光辅助无掩膜微沉积法和飞秒激光微加工法，这两种方法都属于激光直写微制造方法。

目前已有多种传统的沉积方法用于纤维薄膜制造，除此之外，可参考的制造方法还有直写(DW)法。直写法属于分层制造法，即有选择地使涂料逐层沉积到基板的特定位置上。与传统的镀膜方式相比，直写法没有掩膜，因此它更快捷、更经济，而传统的薄膜沉积方法则要使用掩膜，因为在沉积过程中要求添加和去除材料。

本研究中介绍并采用的直写方法是激光辅助无掩膜微沉积法(LAMM)。除了具有直写法的一般特性外，LAMM还具有一些特征，使它能够将薄膜沉积到光纤上。LAMM工艺的主要特点是可在非水平平面上保型沉积。与其他的直写方法相比，如喷墨机的沉积头和衬底的间距小于几十微米，而在LAMM工艺中，间距只有1-5mm，这使薄膜能保型沉积到非水平平面和立体基板上，同时也能选择性沉积到非水平平面和立体基板上。下面将具体介绍LAMM工艺。

在一个实例中，将LAMM工艺用于纤维薄膜沉积，LAMM设备包括四个主要组分(图25)：

雾化器(超声波和气压)，

沉积单元(包括加工头、喷嘴、快门、壳气、雾化气以及气管)，

激光和光学头(包括波长为1550nm的CW掺铒纤维激光器)，

定位平台。

采用LAMM工艺制造薄膜分为两步：(1)微沉积，对悬浮在液体中的金属纳米粒子雾化形成气溶胶，而后从沉积顶部注入，同时冲刷移动基板；(2)激光后处理，用激光束对已沉积材料进行后加热和烧结。

图25介绍了LAMM整套设备。选用的雾化器和定位台是OPTOMEC Inc制造的。沉积材料是悬浮在液体中的纳米颗粒，称为纳米墨水。将纳米墨水放置到其中一个雾化系统中。

超声波雾化器产生的超声波被转移到纳米颗粒溶液中。在超声波影响下，溶液的微小液滴喷溅到气化-液体界面上，并形成浓雾，这一现象在空蚀和张力波假说中有详细解释，详见Mir，J.M.发表的《Cavitation-Induced Capillary Wave inUltrasonic Atomization》(Journal of Acoustical Society of America，vol.67，pp.201-205，1980)和Rajan等人发表的《Correlation to Predict Droplet Size in UltrasonicAtomization》(Journal of Ultrasonics，vol.39，pp，.235-255，2001)，这两篇文章都以引用的形式并入本文。

气压雾化器利用高速气体流将液流切割为液体滴，液流是通过伯努利效应(Bernoulli effect)而产生的，伯努利效应发明了将纳米颗粒悬浮物从溶液中分离出来的流程。雾化系统能形成1-5微米的雾气液滴。为了达到最佳性能，超声波雾化器的液流粘度值应为0.7-10cP，而气压雾化器则为1-2500cP。

超声波雾化气产生的气流被直接流入沉积头，但气压雾化器产生的气流量超过沉积头承受量。因此，气压雾化器产生的气溶胶经虚拟冲击器模块(利用真空泵)排出过量气体，最后气溶剂和残余气体流入沉积头。

气溶剂通过氮气流被注入沉积头。在沉积头内，气溶剂与二次氮气流(被称为壳气流)混合，然后进入同轴喷嘴，让气溶胶流汇合，汇合之后将进入直径为100至250μm的沉积尖端。基底安装在二自由度活动台上，由运动控制模块控制。通过基底相对于沉积头的移动，可以通过逐层沉积的方式实现所需形状。此外，活动台内置的电加热器可以将基底加热到200℃。

对于光纤薄膜沉积来讲，设计并制成了室内旋转平台，使LAMM增加了额外的一自由度。如图26所示，将用连接头连接的光纤和被剥离的光纤分别置于同心旋转固定器的两端，整个设备放置于LAMM工作室的平移台上。

如图25所示，在激光后处理方面，在LAMM工作区域增设一个波长为1550nm’的单模CW掺铒光纤激光器，激光器还配备了相关的光学装置。聚焦光束的直径为30μm，并为工艺区输送0.5W-3.5W功率。沉积完成后，激光束照射已沉积的材料，使纳米颗粒结块。

图27解释了纳米颗粒的激光烧结机制。当纳米颗粒溶液受激光束照射时，由于溶剂蒸发和颗粒结块而形成了固体结构。如图27所示，结块的颗粒产生颈状结构。同时结块导致表面能量的减少，这是由纳米颗粒间原子扩散造成的。激光烧结过程中包括多种扩散机制：表面扩散、粒界扩散及晶格扩散。纳米颗粒的激光烧结过程中，扩散机制的支配地位取决于纳米颗粒的大小。在烧结工艺的早期阶段，表面扩散、粒界扩散与晶格扩散相比，具有较低的激活能，因此占据支配地位。同时，将激光用于烧结工艺会增加沉积薄膜的密度，密度的增加致使电导率的提高。纳米颗粒溶液的激光烧结包括液体蒸发和增浓。因此，这一工艺中重量减轻和残余应力的产生是普遍现象。

LAMM工艺包含的参数可划分为两大类，即沉积和激光烧结，参见表4。

表4LAMM工艺参数

如表4所示，LAMM工艺中包含了多项参数。为了使薄膜具有理想的几何特性、力学性能和微观结构属性，同时为了分析工艺参数对沉积膜最终质量和特性的影响，需对工艺特征进行归纳。在LAMM工艺中，沉积参数主要影响薄膜的几何特性，如厚度和宽度。为了分析微结构和机械性能，需要分析激光工艺参数的影响。最终目的是实现在光纤非水平平面上沉积。但是，在目前的表征方案中，已得出了水平基底的最优参数。那么，为实现光纤非水平表面的沉积，需对参数做进一步调整。

实验中采用了悬浮于乙二醇(C2H4(OH)2)中的银纳米颗粒。Nano-Size Ltd提供的悬浮液含有纳米银颗粒，纳米银的含量是50wt.％，平均直径是50nm。

激光烧结前的沉积发生在硅酸(SiO2)水平基底上，沉积的工艺参数不同。沉积和激光烧结后，用光学显微镜和扫描电子显微镜对样品进行观测，以便研究沉积轨迹的微结构，这里使用了Olympus BH2-UMA型显微镜和LEO 1530型场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)。此外，使用白光干涉法中的光学干涉(WYKO NT1100 optical profiling system，Veeco，Plainview，NY，USA)来研究沉积薄膜的几何特性。工艺区的激光功率用功率表(L30A Thermal Head，OPHIR，Logan，UT，USA)测量。薄膜的晶体结构用可发射Cu-K射线的微型X光衍射机进行观测。为了得出激光参数对沉积薄膜机械特性的影响，开展了纳米压痕测试，测试中使用了Hysitron TI 900 TriboIndenter(Hysitron，Inc.，Minneapolis，MN，USA)。

为了优化工艺参数，并深入了解工艺参数对薄膜性能的影响，开发了一项实验设计(DOE)，这项实验设计基于田口方法。根据沉积薄膜的宽度和厚度对工艺参数进行优化，表5和表6详细罗列了气压雾化器和超声波雾化器优化后的沉积工艺参数。这些工艺参数导致精细薄膜厚度为1μm，宽度为20-50μm。

表5气压雾化器的沉积工艺参数

表6超声波雾化器的沉积工艺参数

尝试将银沉积到水平硅酸基底上。图28介绍了螺旋和直线模式。图29是光学分析系统观测到的样本形貌图。

样品由不同的激光功率制成，激光速度为在实验中，工艺区分别采用1.35W、2.41W和3.28W激光功率，工艺区的射束点直径为200μm。图30a、b及图31a、b分别是FE-SEM 20kX和35kX倍率下所观测到的样本微结构图，微结构图展示了烧结过程中微结构的变化情况。根据观测图，当激光功率为1.35W时，观测到纳米颗粒轻微烧结，但样本中极少见到颈状结构。随着激光功率的增加，从纳米颗粒中可观测到结块和颈状结构。当激光功率为3.28W时(LAMM系统的最大工作效率)，可观测到紧密堆积的烧结颗粒。

在归纳工艺特征时，对银薄膜的晶体结构进行了分析。图32是当激光功率为2.41W和3.28W时，非烧结薄膜和烧结薄膜的XRD光谱。XRD光谱存在多个峰值，这表明银纳米颗粒具多晶体特性。图33描述了与(200)平面相连的44o放大峰值。放大图像显示未经处理的样本峰值比激光烧结样本的峰值范围要广。未烧结样本的半峰全宽(FWHM)为0.77°，而用2.41W和3.28W功率烧结的样本半峰全宽(FWHM)分别为0.65°和0.63°。X光衍射中FWHM的增加与微晶结构有关。随着激光功率的增加，晶体中的颗粒结块会增大，同时周期排列程度也会提高，当X线束发生衍射时，峰值变化更大。

采用压痕试验来测试银薄膜的机械性能，这些机械性能包括膜弹性模量和硬度。纳米压痕测试是用纳米压痕仪尖端对每个样本取像，同时对6个固定点进行取像，这六个点的间距是10μm，然后对每个点施加至多1000μN负载，最后得到负载-位移曲线。图34是纳米压痕仪尖端取像观测到的其中一个样本上六个点的压痕图。

图35是每个样本其中五个压痕位置的负载-位移曲线图。Oliver等人发表的《An Improved Technique for Determining Hardness and Elastic Modulus using Loadand Displacement Sensing Indentation Experiments》(Journal of Materials Research，Vo..7，no.6，pp.1564-1583，1992)对Oliver-Pharr法进行了阐述，压痕硬度(H)可由下式求得：

$H=\frac{P_m}{A}---\left(14\right)$

其中Pm指极限荷载，A指压痕仪和银层之间的接触面。

此外，用纳米压痕测试结果来计算沉积银涂层的弹性模量。如强度-位移图所示，弹性模量与松弛曲线的起始斜率有关，如下所示：

$S=\frac{2{\mathrm{\α}}^{-1}{E}^{-1}{A}^{1/2}}{\sqrt{\mathrm{\π}}}---\left(15\right)$

其中S指松弛曲线的起始斜率，α^*指压痕仪形状的校正系数，E^*指弹性模量减量，这与薄膜的弹性模量及压痕仪的弹性模量有关，如下所示：

其中ν指泊松比，下标的f和in指代薄膜和压痕仪的特性。沉积银膜的弹性模量可以用(15)和(16)求得。压痕仪的机械特性E_in＝1140GPa，银的机械特性ν_in＝0.07，ν_f＝0.37。

图36和图37是硬度和弹性模量图，硬度和模量的数据是纳米压痕测试的结果，并且可以很清晰的看到，硬度和弹性模量随着激光功率的提高而增加，这是纳米颗粒结块和烧结的结果。Cao等发表的《Nanoindentation Measurements ofthe Mechanical Properties of Polycrystalline Au and Ag thin films on Silicon substrates：Effects of Grain Size and Film Thickness》(Materials Science and Engineering：A，vol.427，no.1-2，pp.232-240，2006)和Panin等发表的《Mechanical Properties of Thin Agfilms on a Silicon Substrate Studied Using the Nanoindentation Technique》(Physics ofthe Solid State，vol.47，no.11，pp.2055-2059，2005)都得出了相近的银薄膜硬度值，两文内容都以引用的形式并入本文。各实验结果中，银最大的弹性模量值是65GPa，比块银的弹性模量值小21％(83GPa)，这一差异可能是由样本的微结构和制造工艺差异造成的。此外，纳米颗粒结块可能不够完整，并且有孔隙，同时表面形态(如粗糙的银薄膜沉积层)也会导致差异的出现。

银质材料被选为FBG镀膜材料。可用于纳米墨水的各种珍贵材料中，银具备优秀的二氧化硅附着力。此外，白银的热膨胀系数是

比二氧化硅

要高，这样的系数差可以提高FBG传感器的热敏度。

选择了一个具有1550nm布拉格波长、14mm光栅长度(O/E LAND Inc.，Quebec，QC，Canada)的FBG。光纤表面覆盖了聚合物涂层，用于在运输和装卸过程中对光纤进行保护。另外，聚合物涂层可以通过化学方法去除，将光纤在丙酮中浸泡15分钟即可。

在沉积过程中，将FBG安装在旋转台上(见图26)，并且将两端固定，使它在沉积头下能够处于一条直线上。然后，按照计划路径向沉积头方向移动，在移动的过程中，薄膜沉积到光纤上。为了能让薄膜在光纤上覆盖合理的长度，银的沉积路径都保持20-25μm的间距。图38指出沉积头的相对路径。

在沉积过程中，只用光纤的一端去接触银纳米颗粒气溶剂。如图39所示，为了统一镀膜厚度，光纤在每一轮沉积中都要旋转90°。表7列出了银光纤薄膜沉积所使用的工艺参数。

图40描述了LAMM沉积头在镀银层周期性沉积到光纤过程中的变化情况。

图41描述了周期性镀银层沉积到光纤上，形成了SFBG。沉积的薄膜周期为2mm，工作周期3/4，厚度为9μm，共形成七段长度为1.5mm的镀膜段。光纤的直径是125μm，涂层的平均直径为143μm。图42描述了沿光纤不同角度测得的薄膜厚度值。据观察，薄膜围绕光纤呈非均匀分布。

表7光纤银薄膜沉积中采用的LAMM工艺参数

另一实施例中，通过在FBG光纤外表面选择性的蚀刻微沟槽，创造出一种可以同时测量多项标准的光纤，这使FBG对折射率和周围介质浓度敏感。激光直接微加工法是进行微沟槽蚀刻采用的一种方法；可是还可用其他光纤表面蚀刻法。在激光直接微加工法中，超短激光脉冲保持在飞秒(10^-15s)范围内，这样就能够以亚微米精度，用大量材料来实现多种功能，特别是透明介质，如二氧化硅。由于在超短激光脉冲和介质材料的交互作用中存在非线性现象，这类激光可有效用于透明材料(二氧化硅)微加工和结构调整。有鉴于此，可采用飞秒激光对光纤传感器进行微加工。飞秒脉冲激光可用于FBG中的微加工，以此来提高多参数感应性能。

可通过氢氟酸蚀刻(HF etching)来缩小FBG的直径。但是，氢氟酸蚀刻速度较慢，同时反应过程是同性的、非定向的。当用浓度为52％的氢氟酸溶液蚀刻时，蚀刻速度为1.8μm/min；使用缓冲氧化物蚀刻(BOE)时，蚀刻速度为80nm/min；使用24％浓度的缓冲氢氟酸溶液蚀刻时，蚀刻速度为650nm/min，以上都是缩小FBG包层直径的典型方案。

与氢氟酸蚀刻相比，飞秒激光微加工工艺使光纤模式的速度更快、更易于控制，这里的光纤由二氧化硅制成，可穿透可见光和近红外(NIR)电磁辐射。长脉冲激光(脉冲持续时间≥10ps)无法被二氧化硅吸收用于微加工。但是，NIR辐射范围内的超短激光脉冲(十分之一皮秒或者飞秒)使外表面和主体能对二氧化硅进行微加工。

超短激光脉冲和材料之间的交互作用不同于长脉冲激光和材料之间的交互作用。在长脉冲激光(脉冲持续时间＞10ps)与材料之间的交互作用中，激光的能量吸收机制属于电子激发，原因在于电磁辐射的吸收，同时电子-晶格相互作用将能量转化为热量。

飞秒激光脉冲和电介质(比如二氧化硅)的交互作用包含一些基本工艺。当二氧化硅受到飞秒激光脉冲的强辐射时，它的折射率将取决于辐射强度。一个光子的能源不足以激发价电子带的全部电子，并将它们转移到传导带。因此，在高密度激光脉冲的相互作用下，价电子由于吸收了很多光子而受到激发，这一过程叫做多光子电离。多光子电离速度是激光强度的影响因素之一。传导带的电子通过吸收自由载流子来吸收更多的激光能。如果可传导电子增加的能量大于带隙的能量，那么传导电子可通过碰撞电离方式电离更多价电子。这一过程将一直持续下去，直到激光能穷尽，同时这一过程还增加了等离子体的密度，这个过程被称作雪崩电离。等离子形成之后，各种机制都可能损害介质材料。从高浓度等离子体中转移能量将导致材料的融化、蒸发和脱落，将能量从高浓度等离子体中转移到晶格的用时比热扩散时间短得多，这样可减小热污染区。此外，损害还有可能是由于设计缺陷和和自陷态激子(STE)弛豫。二氧化硅的设计缺陷有氧空位(E’中心)、过氧自由基/联动和非桥氧中心(NBOHC)。

除表面微加工和材料去除之外，结构调整可以通过飞秒激光脉冲与二氧化硅的交互作用实现，结构调整包括改变折射率和应力诱导。飞秒激光已用于激发光纤双折射，这一用途是通过包层直接接触激光辐射来实现的，另一方面，飞秒激光还可用于传感和光纤激光器，通过将激光器中的布拉格光栅直写到光纤核心实现。利用相位掩模扫描技术对光栅横向照明来制造内核布拉格光栅，这一制造方法已被证明可以提高FBG的传感性能。飞秒激光已在保偏(PM)光纤领域应用，用于蚀刻高温稳定的布拉格光栅。由飞秒激光产生的光强化双折射使FBG传感器具有广泛的双参数传感能力。飞秒激光已将布拉格光栅蚀刻到掺镱光纤的核心。

图43是用于飞秒激光蚀刻的工作台设备图。图44是飞秒激光设备及光纤与激光束相对位置示意图。Libra-S激光系统是一个二极管泵浦钛宝石飞秒激光系统((Coherent Inc.，Santa Clara，CA，USA)，可用于飞秒蚀刻。激光波长为800nm的光束，脉冲为100fs，重复速率为1kHz。在一实施例中，激光束在光纤包层表面发散，这样可以创造更强的特性，这种光纤的圆环形状在工艺区表现出非圆环形状的强度分布态势。在这一实例中，沿光纤z轴方向的光束直径小于X轴方向，这里X轴垂直于光纤。

另一实施例中，微沟槽能以不同的激光功率蚀刻。图45介绍了在激光功率和激光扫描速度5μm/s的影响下，微沟槽宽度示意图；随着激光功率的增加，微沟槽宽度也变大。当激光功率小于50mW时，可蚀刻的微沟槽宽度小于20μm。进一步讲，由于激光扫描速度的提高，微沟槽边缘的粗糙度也相应增强。

为在光纤上蚀刻微沟槽，需将光纤安装在三向活动台上，同时接受激光束辐射。活动台可以通过编程使光纤发生位移并穿过激光束，这样可进行微沟槽蚀刻。

图46是蚀刻在光纤表面的微沟槽示意图，示意图是在激光平均功率为41mW、激光扫描速度分别为100μm/s和500μm/s的情况下得出的。在这两个案例中，中心线上每个点的脉冲分别为175和33。当降低扫描速度时沟槽的边缘较平滑，原因是在每个点上增加了脉冲，并且缩短了各脉冲的暂时间隔。

图47描述了用特殊方式将材料从FBG的外表面去除。设计参数是模式的几何形状，包括b，w，w1，w2，wi，rd，rd1和rd2。其中rf是光纤的起始直径。与叠加法相似，切割法允许沟槽深度多样化，最大深度差达40μm，宽度和沟槽间距最大可达光栅长度的三分之一。

本说明中介绍的光纤还可用于疾病诊断，如癌症诊断。在很大程度上，癌症治疗的成功应用依靠精确的肿瘤微环境数据(诸如间隙流体压力、低氧症、酸毒症)，这将直接影响到药效/交付和病症转移。在这一应用中，光纤传感器可同时测量肿瘤组织的以上因素。

目前，现有的传感器还有很大的缺陷，比如对电磁干扰敏感，剩余材料在深部组织沉积的风险。此外，在并行测量癌变组织三大参数过程中，存在严重的局限性。

间质流体压力测量的传统方法包括有芯导管、有芯探针技术、玻璃微管/servonul l传感器、半导体米勒倒放传感器、皮下胶囊植入法。最普遍的肿瘤氧水平监测方法是Eppendorf发明的极谱电极针法。此外，可通过磁共振波谱(MRS)间接测出pH。用于IFP和肿瘤乏氧的传统传感器都是根据单元参数探测设计的。此外，金属部件的存在使传统传感器不能用于磁共振(MR)扫描仪。另外，深部组织剩余物质沉积的风险限制了它们的适用范围。此外，多重参数并行测量时，大量的线缆和设备将用于数据采集。

光纤生物传感器有可能克服现有癌症治疗方面的技术局限性，局限性如前文所述。与电磁传感器相比，光纤传感器有一定的优势：体积较小(直径大约为125um)、由二氧化硅制成具有绝缘性、抗电子干扰、对大多数生物制剂具有耐腐蚀性。使用光纤传感器(比如目前披露的具备多参数传感能力)的探测器，可用于肿瘤的测量。单线光纤只需对单一光谱进行数据采集和分析，然后便可得到参数值。

根本来讲，可用于参数挖掘的传导机制表现为折射率和结合模式的改变。生物传感器的制造包含了一系列工艺，如薄膜在光纤上选择性沉积和逐层沉积、光纤的可选择性激光微加工。为此，传统的微制备方法(如平版印刷术)也许效率并不高，因为传统方法需要增加或去除材料，这样就增加了复杂性和生产成本。有鉴于此，可以采用新的激光直写微制备方法。激光的独特性为直接制造微型光纤生物传感器提供了基础，激光的独特性包括连贯性和单色性。此外，鉴于激光微制备属于非接触工艺，因此不会在传感器上留下外部残留物，可将它用于实验室条件和自然条件下的研究中。由于激光微加工使用超快脉冲激光(如飞秒激光)，因此它可用于选择性微加工和完成外表面上的特殊模式。此外，激光束缚微沉积技术还可用于薄膜的选择性沉积。

在前文的论述中，阐述了多个需要解释的细节，以便完全理解实施例。但是显而易见，对于这个领域的技术人员来说，这些细节可以忽略。

上述实施例只是举例。在允许范围内，该领域的技术人才对特殊实例所进行的变更、调整及变化，如果超出了限定范围，都将影响到它的效果，这些都在附件中的权力主张中进行了单独定义。

Claims (33)

1.一种光纤传感器，能同时对光纤传感器上的一个或多个预定位置进行检测和测量的光纤传感器。

2.权利要求1所述的光纤传感器，其中传感器够同时检测两项标准，这两项标准是从不同的组合中选定的，这些组合包括温度和应变、温度和应力、温度和压力、温度和强度、温度和氢含量、及温度和湿度组成。

3.权利要求1所述的光纤传感器，其中光纤是指布拉格光纤光栅及围绕光纤沉积的多个涂层。

4.权利要求1所述的光纤传感器，其中光纤指布拉格光纤光栅，该光栅的一端与只读反射光的光谱信号分析仪相连。

5.权利要求3所述的光纤传感器中，多个涂层沿光纤长度等距排列。

6.权利要求3所述的光纤传感器中，多个涂层沿光纤长度非等距排列。

7.权利要求3所述的光纤传感器中，多个涂层包括第一涂层组和第二涂层组，其中第一涂层组沿光纤程度灯具排列，第二涂层组沿光纤长度非等距排列。

8.权利要求3所述的光纤传感器中，多个涂层是厚度约为200μm的薄膜。

9.权利要求8所述的光纤传感器中，多个涂层是厚度约为9μm的薄膜。

10.权利要求8所述的光纤传感器中，多涂层材料是导电元素，选自钛、银、金、铂、铝、锌、镁、铜、铁、铬、镍、钯、铅及其组合。

11.权利要求8所述的光纤传感器中，多涂层为银涂层。

12.权利要求3所述的光纤传感器中，多涂层为高分子材料涂层。

13.权利要求5所述的光纤传感器中，多涂层长度大约为1.5mm，相邻涂层间距为0.5mm。

14.权利要求3所述的光纤传感器中，多涂层长度大约为光纤传感器光栅长度的三分之一，相邻涂层间距也为光栅长度的三分之一。

15.权利要求1所述的光纤传感器中，光纤表面周围含有半径递减带。

16.权利要求15所述的光纤传感器中，光纤表面到带底部的深度可达40μm。

17.权利要求16所述的光纤传感器中，多元带的长度可达到光纤传感器光栅长度的三分之一，相邻带的间隔也达到光栅长度的三分之一。

18.权利要求15所述的光纤传感器中，多元带沿光纤长度等距分布。

19.权利要求15所述的光纤传感器中，多元带沿光纤长度非等距分布

20.权利要求15所述的光纤传感器中，多元带包括第一带组和第二带组，第一带组沿光纤长度等距分布，而第二带组沿光纤长度非等距分布。

21.权利要求15所述的光纤传感器中，多项标准是从组合中选定的，这些组合包括温度和应变、温度和强度、温度和应力、温度和压力、温度和氢含量、以及温度和液体浓度。

22.一种制备光纤传感器的方法，传感器能在一个或多个预定位置同步测量多项参数，该方法包括：光纤的一个非平面表面至少有一个薄涂层。

23.权利要求22所述的方法中，涂层的应用方式是从一个群中选定的，这个群包括直写、直接沉积、直接印刷、逐层沉积、直接叠加制备、实体造型、分层制备法去除。

24.权利要求23所述的方法中，工艺基于激光。

25.权利要求24所述的方法中，涂层基于激光直写。

26.权利要求25所述的方法中，激光直写指激光辅助无掩膜微沉积法。

27.权利要求22所述的方法中，多项标准是从各组合中选出的，这些组合包括温度和应变、温度和应力、温度和压力、温度和氢含量、以及温度和湿度。

28.一种光纤传感器的制备方法，使光纤传感器能在一个或多个预定位置同时检测多项标准，该方法包括去除光纤表面材料。

29.权利要求28所述的方法中，光纤表面的材料涂层采用飞秒激光蚀刻技术去除。

30.权利要求28所述的方法中，光纤表面的材料涂层通过氢氟酸去除。

31.权利要求28所述的方法中，多项标准是从一个群中选定的，这个群包括温度和应变、温度和强度、温度和应力、温度和压力及温度和液体浓度。

32.权利要求28所述的方法中，从光纤周围去除的材料沿光纤形成圆周带，从光纤表面算起，圆周带深度可达40μm。

33.权利要求32所述的方法中，带长为光纤光栅长度的三分之一，相邻带的间隔也是光栅长度的三分之一。

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