CN102889901B - 一种光纤珐珀传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤珐珀传感器及其制作方法，所述的传感器包括：光纤和被接光纤，在所述光纤或/和被接光纤的端面设有微槽，所述光纤和被接光纤对接连接在一起，所述微槽形成FP腔，所述FP腔的光学发射面为平面，所述光纤珐珀传感器的外端面加工成薄片，在所述薄片中间位置刻蚀出一个凸起的圆柱体。本发明的光纤珐珀传感器实现了传感器的简单复用，即在一个传感头上制作出两个不同的珐珀腔，通过这两个不同的珐珀腔来实现双参数测量，利用空气腔对温度不敏感的特性用其测量压力或者加速的，同时利用实心腔对温度的敏感特性实现对温度的测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种多参数测量光纤珐珀传感器的设计。
背景技术
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加工技术在光纤上实现各种微纳功能性传感器器件是未来光纤传感器发展的重要趋势。在应对各种复杂的测试环境，如航空航天等领域，对传感器在对高温下的特性也提出了急迫的要求，如何解决传感器在高温下的测量是传感器领域中的一个十分前沿和重大的科学课题。在高温环境下，测量温度参数具有同样重要的意义，如何实现传感器在测量指定参数的同时对温度参数的测量也是传感器领域中的一个十分前沿和重大的科学课题。
在光纤传感器中，作为温度、加速度和压力测量的传感器主要是布拉格光纤光栅（FiberBragg Grating，FBG）和珐珀（Fabry Perot，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。珐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、加速度和压力测量。本申请人之前在CN200810305317.0中提出了一种用激光加工可测量加速度和压力的光纤珐珀传感器，提供了一种光学性能好、量程可调的光纤珐珀传感器
FBG由于其温度与其它被测量的交叉敏感性受到了较大的限制，所以单一FBG传感器无法实现温度和其他参数的同时测量。珐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、加速度和压力测量，但目前可实现温度和其他参量同时测量的珐珀传感器采用的是多个传感器复用的方法，结构相对复杂。
发明内容
针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种可以对温度和压力或者温度和加速度同时测量的光纤珐珀传感器。
本发明的技术方案为：一种光纤珐珀传感器，包括：光纤和被接光纤，在所述光纤或/和被接光纤的端面设有微槽，所述光纤和被接光纤对接连接在一起，所述微槽形成FP腔，所述FP腔的光学发射面为平面，所述光纤珐珀传感器的外端面加工成薄片，在所述薄片中间位置刻蚀出一个凸起的圆柱体。
进一步的，所述薄片的厚度小于60微米。
进一步的，所述圆柱体的厚度为10到30微米，直径10到60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。
本发明的另一目的是提供一种上述光纤珐珀传感器的制作方法，可以批量化制作各种量程的珐珀传感器，具体包括如下步骤：
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，所述微槽形成空气FP腔，所述FP腔的光学反射面是端面，该端面为第一个光学反射平面；
C.将光纤或被接光纤切割一部分，使被切面形成光纤珐珀传感器的外端面；
D.在C步骤形成的端面加工一个圆柱体，该圆柱体即为实心珐珀腔，圆柱体外端面形成第二个光学反射面。
进一步的，步骤A所述的加工是采用激光加工、飞秒激光加工、粒子束刻或电子束刻蚀。
进一步的，步骤B所述的对接采用激光熔接、电弧熔接、镀膜对接或粘接。
进一步的，步骤C所述的切割是采用光加工、飞秒激光加工、粒子束刻蚀或电子束刻蚀。
进一步的，步骤D所述的加工是采用光加工、飞秒激光加工、粒子束刻蚀或电子束刻蚀。
本发明的具体工作原理：本发明的光纤珐珀传感器的通过所形成的空气珐珀腔端面受压力或加速度的作用产生的变化实现对应压力或加速度的测量，通过所形成的实心珐珀腔受温度影响所产生的变化实现对温度的测量。
本发明的有益效果：本发明的光纤珐珀传感器实现了传感器的简单复用，即在一个传感头上制作出两个不同的珐珀腔，通过这两个不同的珐珀腔来实现双参数测量，利用空气腔对温度不敏感的特性用其测量压力或者加速的，同时利用实心腔对温度的敏感特性实现对温度的测量，通过相应的解调方法可以得到温度和压力或者温度和加速度的相关参数。本发明采用的激光加工、飞秒激光加工、粒子束刻或电子束刻蚀加工工艺对任何种类的光纤都实用，生产效率高，可实现大规模制造。
附图说明
图1是实施例一、二、三中步骤2所形成的珐珀传感器结构示意图；
图2是实施例一、二、三中步骤3所形成的珐珀传感器结构示意图；
图3是实施例一中步骤4和实施例二、三中步骤5所形成的珐珀传感器示意图；
图4是实施例二中步骤4所形成的珐珀传感器结构侧面示意图；
图5是实施例三中步骤4所形成的珐珀传感器结构侧面示意图。
附图标记说明：1光纤，2空腔，3光纤，4珐珀谐振膜，5圆柱体，6双臂，7单臂。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
本发明的光纤珐珀传感器，具体包括：光纤和被接光纤，在所述光纤或/和被接光纤的端面设有微槽，所述光纤和被接光纤对接连接在一起，所述微槽形成FP腔，所述FP腔的光学发射面为平面，所述光纤珐珀传感器的外端面加工成薄片，在所述薄片中间位置刻蚀出一个凸起的圆柱体。下面通过具体的制作过程对该结构进行详细说明。
实施例一：
步骤1、分别在单模石英光纤1和光纤3的端面上用157激光器加工一个直径为50微米的圆柱形微槽，槽深20微米；
步骤2、将步骤1的光纤1和光纤3通过熔接机进行焊接，形成微腔3，即光学珐珀腔，如图1所示；
步骤3、在步骤2形成的微腔3的外端面切割光纤，形成珐珀谐振膜4，其厚度为50微米，即在珐珀传感器一端形成一薄片状结构,如图2所示；
步骤4、在步骤3中形成的珐珀谐振膜4的端面用157激光器加工一个直径为60微米，厚度为20微米的圆柱体5，如图3所示。
上述传感器可以作为温度和压力同时测量的传感器，当传感器受到外界温度和压力的作用时，受压力作用珐珀谐振膜4发生变化，圆柱体5受温度作用而变化，通过测试珐珀谐振膜4和圆柱体5相应的变化就可以测出被测物理量。
实施例二：
步骤1、分别在单模石英光纤1和光纤3的端面上用157激光器加工一个直径为50微米的圆柱形微槽，槽深20微米；
步骤2、将步骤1的光纤1和光纤3通过熔接机进行焊接，形成微腔3，即光学珐珀腔，如图1所示；
步骤3、在步骤2形成的微腔3的外端面切割光纤，形成珐珀谐振膜4，其厚度为50微米，如图2所示；
步骤4、在步骤3中形成的珐珀谐振膜4的端面用157激光器加工一个如图4所示的结构，即所述传感器。中间圆柱体5的直径为60微米，厚度为20微米，圆柱体两边为对称的臂6，宽度为25微米，长度为40微米。
上述传感器可以作为温度和加速度同时测量的传感器，当传感器受到外界温度和加速度的作用时，受加速度作用珐珀谐振膜4发生变化，圆柱体5受温度作用而变化，通过测试珐珀谐振膜4和圆柱体5相应的变化就可以测出被测物理量。
实施例三：
步骤1、分别在单模石英光纤1和光纤3的端面上用157激光器加工一个直径为50微米的圆柱形微槽，槽深20微米；
步骤2、将步骤1的光纤1和光纤3通过熔接机进行焊接，形成微腔3，即光学珐珀腔，如图1所示；
步骤3、在步骤2形成的微腔3的外端面切割光纤，形成珐珀谐振膜4，其厚度为50微米，如图2所示；
步骤4、在步骤3中形成的珐珀谐振膜4的端面用157激光器加工一个如图5所示的结构，即形成所述传感器。其中，中间的圆柱体5直径为60微米，厚度为20微米，旁边的单臂7宽度为25微米，长度为40微米。
上述传感器可以作为温度和加速度同时测量的传感器，当传感器受到外界温度和加速度的作用时，受加速度作用珐珀谐振膜4发生变化，圆柱体5受温度作用而变化，通过测试珐珀谐振膜4和圆柱体5相应的变化就可以测出被测物理量。相对于双臂结构，此单臂结构在测量加速度时更为灵敏。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种对温度和压力或者温度和加速度同时测量的光纤珐珀传感器，包括：光纤和被接光纤，在所述光纤或/和被接光纤的端面设有微槽，所述光纤和被接光纤对接连接在一起，所述微槽形成FP腔，所述FP腔的光学发射面为平面，所述光纤珐珀传感器的外端面加工成薄片，在所述薄片中间位置刻蚀出一个凸起的圆柱体；
所述薄片的厚度小于60微米；
所述圆柱体的厚度为10到30微米，直径10到60微米；
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。
2.一种光纤珐珀传感器的制作方法，具体包括如下步骤：
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，所述微槽形成空气FP腔，所述FP腔的光学反射面是端面，该端面为第一个光学反射平面；
C.将光纤或被接光纤切割一部分，使被切面形成光纤珐珀传感器的外端面；
D.在C步骤形成的端面加工一个圆柱体，该圆柱体即为实心珐珀腔，圆柱体外端面形成第二个光学反射面；
步骤A所述的加工是采用激光加工、飞秒激光加工、粒子束刻或电子束刻蚀；
步骤B所述的对接采用激光熔接、电弧熔接、镀膜对接或粘接；
步骤C所述的加工是采用光加工、飞秒激光加工、粒子束刻蚀或电子束刻蚀；
步骤D所述的加工是采用光加工、飞秒激光加工、粒子束刻蚀或电子束刻蚀。
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