CN108981810B - 一种新型光纤f-p腔传感器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种新型光纤F‑P腔传感器件的制备方法，包括以下步骤；取一段光纤，剥掉涂覆层后得到一段裸光纤，用酒精清洗，用光纤切刀将裸光纤沿中间切断；将光纤固定在载玻片上，并将载玻片放在三维精密微位移台上，调节三维微位移平台使激光光斑聚焦位置与裸光纤端面重合，然后沿光纤轴向向外移动微位移平台使光斑聚焦位置距离裸光纤端面；调节准分子激光器的脉冲频率，打开准分子激光器，加压，关闭激光器，制作出的传感器；在距顶端处得到一个正方形的微孔，用氢氟酸溶液清洗孔内杂质，制成了一个关于压强、温度和液体折射率同时测量的传感器。本发明制作的传感器尖端结构强大、体积小、制造简单、成本较低，对温度、压强和折射率都有较好的测量精度。

Description

一种新型光纤F-P腔传感器件的制备方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器件技术领域，特别涉及一种新型光纤F-P腔传感器件的制备方法。

背景技术

相比于传统传感器，光纤传感器具有低损耗、抗电磁干扰、适用于高温、化学腐蚀等环境的一系列优点。光纤传感器件扩展了传统传感器的适用环境、提高了传统传感器的性能，突破完成了在很多情况下传统传感器很难甚至不能完成的任务，因此受到了各个领域专家的广泛的关注。

利用光纤传感器可以间接或直接测量温度、压强、应力、流量等很多物理量。现如今光纤F-P传感器由于结构的多样性和灵活性是光纤传感器研究领域的热点；光纤F-P传感技术通过待测量作用于F-P腔产生的腔长变化或者改变腔内折射率进行传感。F-P腔为光纤F-P压力传感器的核心敏感元件，入射光在F-P腔的两个端面形成反射，产生干涉信号，干涉信号随着F-P腔的腔长改变而发生变化，通过对干涉信号进行解调实现对待测参量测量。

现阶段人们制作光纤F-P腔结构的方法主要有飞秒激光微加工，熔接机熔接F-P腔，化学腐蚀法制作F-P腔等。但飞秒激光微加工成本比较高，加工几微米精度的微结构控制难度大；熔接法和化学腐蚀法对结构形状难以控制，传感器重复困难。

现有的光纤传感器件大多为结构单一，测量环境单一，无法实现对多参量、多环境的同时监测。

发明内容

为解决现有F-P传感器制作成本高、结构不规则的光纤F-P腔结构及多参量测量问题，本发明提出一种新型光纤F-P腔传感器件的制备方法，并对其温度、压腔和折射率进行多参量测量，此方法制作的传感器尖端结构强大、体积小、制造简单、成本较低，对温度、压强和折射率都有较好的测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种新型光纤F-P腔传感器件的制备方法，包括以下步骤；

步骤一：取一段光纤，剥掉5cm的涂覆层后得到一段裸光纤，并用酒精清洗，用光纤切刀将裸光纤沿中间切断；

步骤二：将所述裸光纤固定在载玻片上，并将载玻片放在三维微位移平台11上，启动准分子激光器9，并调节三维微位移平台11使激光光斑聚焦位置与裸光纤端面重合，然后沿光纤轴向向外移动微位移平台使光斑聚焦位置距离裸光纤端面500μm；

步骤三：调节193nm ArF准分子激光器9的脉冲频率为50HZ，电压0.9KV，能量25mJ，打开准分子激光器9，大约每持续5s增加0.2KV电压，一直加到1.20KV后停止增加电压，关闭激光器，取下制作出的传感器；

步骤四：在距光纤顶端的500μm处得到一个40.5μm×40.5μm的正方形的微孔，由于紫外激光在刻蚀光纤过程中会在孔内留下很多二氧化硅晶体杂质，用5％的氢氟酸溶液清洗孔内杂质，制成了一个关于压强、温度和液体折射率同时测量的传感器。

所述的三维微位移平台上设有CCD摄像头，CCD摄像头作用是实时监控微结构加工过程，根据所需要的结构控制三维微位移平台11和准分子激光器9相应参数。

所述准分子激光器9的激光输出端设有光路系统，光路系统包括一个多形状光阑10，8个高质量193nm激光反射镜，一个成像凸透镜，准分子激光器9输出的激光先通过第一个反射镜反射后，进入光阑10，调整光阑10使激光进入3.5mm×3.5mm的正方形小孔虑光，此时的小孔充当成像凸透镜的物体，经过多次反射进入凸透镜后，在凸透镜的像方空间成倒立缩小的实像，此时成像的位置就是我们光纤需要加工的位置，调整微位移平台使光纤侧面中央到达这个像的位置。

所述的光路系统由193nm准分子激光器9水平射出一束激光，经过第一反射镜1反射后进入位于它正上方的多结构小孔光阑10，小孔的尺寸在毫米量级，其中第一反射镜1的镜面与前后方向平行，与左右和竖直方向夹角均45度，激光进入光阑10虑光后再经过位于光阑10正上方的第二反射镜2，将光反射给第三反射镜3，依次经过第四反射镜4、第五反射镜5、第六反射镜6和第七反射镜7，这里第二反射镜2的镜面与前后方向平行，与左右和竖直方向夹角均45度，第三反射镜3的镜面与竖直方向平行，与左右和前后方向夹角均45度，第四反射镜4的镜面与竖直方向平行，与左右和前后方向夹角均45度，第五反射镜5的镜面与竖直方向平行，与左右和前后方向夹角均45度，第六反射镜6的镜面与左右方向平行，与前后和上下方向夹角均45度，第七反射镜7反射的光进入凸透镜，在像方空间经第八反射镜8反射在位于其正下方将成出光阑10的像。

本发明的有益效果：

第一，本发明在制备过程中，能很好控制光纤F-P腔结构微加工的规整度和波谱可重复性；第二，F-P腔穿孔制作，解决外界杂质或孔内残留杂质难以清理对波谱的影响。第三，实现温度、压力和折射率的多参量测量，并且灵敏度高、成本低廉、所测温度变化范围较大。

附图说明

图1是193nm准分子激光器9加工光纤微孔结构传感器原理图。

图2是显微镜下的传感器显微图。

图3是传感器制作过程：(a)将尾端切平；(b)在端面切平的单模光纤上打孔；(c)用5％的氢氟酸溶液清洗微孔内的杂质；(d)制作完成的光纤传感器。

图4是实验常温常压下传感器的反射谱图。

图5是压强实验装置图。

图6是光谱随压力的变化图。

图7是对压力的傅里叶带通滤波图。

图8是传感器对压力的响应灵敏度图。

图9是温度实验装置图。

图10是光谱随温度的漂移规律图。

图11是传感器对温度的响应灵敏度图。

图12是对温度的傅里叶带通滤波图。

图13是传感器M1-M3腔对温度的响应灵敏度图。

图14是折射率实验装置图。

图15是折射率为1.333的光谱图。

图16是传感器对折射率的响应灵敏度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

制备仪器的技术方案包括以下步骤：

1.取一段光纤，剥掉5cm的涂覆层后得到一段裸光纤，并用酒精清洗。用光纤切刀将裸光纤沿中间切断。

2.将光纤固定在载玻片上，并将载玻片放在三维精密微位移台上，启动准分子激光器9，并调节三维微位移平台11使激光光斑聚焦位置与裸光纤端面重合，然后沿光纤轴向向外移动微位移平台使光斑聚焦位置距离裸光纤端面500μm。

3.调节193nm ArF准分子激光器9的脉冲频率为50HZ，电压0.9KV，能量25mJ，激光加工参数如表1所示。打开准分子激光器9，大约每持续5s增加0.2KV电压，一直加到1.20KV后停止增加电压，关闭激光器，我们制作出的传感器如图2所示。

4.这样就能在距顶端500μm处得到一个40.5μm×40.5μm的正方形的微孔。由于紫外激光在刻蚀光纤过程中会在孔内留下很多二氧化硅晶体杂质，为了产生稳定性好、质量高的光谱，我们用5％的氢氟酸溶液清洗孔内杂质，如图3所示，这样就制成了一个关于压强、温度和液体折射率同时测量的传感器(压强由第一个腔测量、温度由第二个腔测量、折射率由第一个腔测量)。

所述三维精密微位移平台上设有CCD摄像头，CCD摄像头作用是实时监控微结构加工过程，根据所需要的结构控制三维微位移平台11和准分子激光器9相应参数。

所述准分子激光器9的激光输出端设有光路系统(由193nm准分子激光器9水平射出一束激光，经过第一反射镜1反射后进入位于它正上方的多结构小孔光阑10，小孔的尺寸在毫米量级，其中第一反射镜1的镜面与前后方向平行，与左右和竖直方向夹角均45度。激光进入光阑10虑光后再经过位于光阑10正上方的第二反射镜2，将光反射给第三反射镜3，依次经过第四反射镜4、第五反射镜5、第六反射镜6和第七反射镜7，这里第二反射镜2的镜面与前后方向平行，与左右和竖直方向夹角均45度，第三反射镜3的镜面与竖直方向平行，与左右和前后方向夹角均45度，第四反射镜4的镜面与竖直方向平行，与左右和前后方向夹角均45度，第五反射镜5的镜面与竖直方向平行，与左右和前后方向夹角均45度，第六反射镜6的镜面与左右方向平行，与前后和上下方向夹角均45度。第七反射镜7反射的光进入凸透镜，在像方空间经反射8反射在位于其正下方将成出光阑10的像，这个像的位置就是我们微加工光纤所放置的位置)，光路系统如图1所示包括一个多形状光阑10，8个高质量193nm激光反射镜，一个成像凸透镜，准分子激光器9输出的激光依次经过如图所示1的光路，先通过第一个反射镜反射后，进入光阑10，调整光阑10使激光进入3.5mm×3.5mm的正方形小孔虑光，此时的小孔充当成像凸透镜的物体，经过多次反射进入凸透镜后，在凸透镜的像方空间成倒立缩小的实像，此时成像的位置就是我们光纤需要加工的位置，调整微位移平台使光纤侧面中央到达这个像的位置；这里我们增加这么多反射镜的目的是为了增加光程节省加工空间，光程约4.5m即物距，像距约5cm。

传感原理与测量：

采用这种制备方法制备出的传感器，在距离顶端500μm处有一个通孔。通孔到纤芯顶端500μm这段传感器是光纤材质，由于外界环境温度变化加材料的热胀冷缩作用对光谱的响应进而传感，实现对温度的检测；而40.5μm的通孔可以根据与外界气流相通的外界气体压强或折射率的变化促使腔内该腔光谱的光程差发生变化，进而达到传感，实现压力或折射率的检测。

该光纤传感器F-P腔(这里的F-P腔形状由图1的光阑10形状决定，光阑10在这里充当对凸透镜而言的物方空间的物体，这个物体将在凸透镜的像方空间成像，此时不难理解，像的形状和物体形状一样，只是大小比例不同而已。倘若我们转动光阑10，让激光束通过圆形孔，那么在微位移平台正上方将成现圆形光斑，移动微位移平台，将光纤置于像的位置，则可在光纤上加工圆形微孔)是一矩形通孔，与外界气流交换容易、迅速。在实验中我们可调整光阑10大小或者调整光阑10与透镜间的距离，从而有效控制微加工形状及大小。以下实验室数据全部建立在如图3(d)所示的传感器之上，该光纤传感器有三个反射面，分别为M1、M2、M3，第一腔由M1和M2组成，第二腔由M2和M3形成，第三腔由M1和M3组成。在这三个腔形成的干涉中，反射光强度为：

其中A₁、A₂、A₃分别表示入射光经过M1、M2、M3三个面反射后干涉时的振幅；

(M1和M2组成)和

(M2和M3组成)表示经过第一个腔和第二个腔的传播相位差。

其中λ为入射光的入射波长；l₀为40.5μm第一腔的腔长，l₁为500μm第二腔的腔长；n₀为微孔空气腔中的折射率，n₁为光纤的纤芯折射率。

图4是常温常压下该传感器在空气中的反射光谱，检测仪器是SM125，精度是1pm。图5所示恒温气体压力实验测试装置图。将光纤传感头密封在高压罐中，另一端通过APC头接于SM125解调仪，通过计算机连接SM125解调仪，缓慢增加气罐中气压同时利用电脑记录传感器中反射光谱的变化规律。气压罐储气量为5L，直径150mm，长310mm，气压罐最大压力支持1.2MPa，气体压力计的最小分度值为0.0125MPa。罐中气压每升高0.05MPa记录一次光谱，得到如图6所示0.1MPa至0.8MPa的光谱图；我们采用傅里叶带通滤波的方法将M1-M2腔产生的频率提取出来，得到如图7，波谱非常有规律的向长波方向漂移，对漂移量进行线性拟合后，如图8所示，P和Q点的灵敏度分别为4.0844nm/Mpa和4.1587nm/Mpa。

图9所示恒压气体高温实验测试装置图。将光纤传感器的传感头置于高温箱中，另一头通过APC头接于SM125解调仪上，连接SM125解调仪和计算机，设置温度25℃至300℃缓慢升高，高温箱设置参数：从25℃至300℃，温度每升高25℃记录一次，步长为30分钟，停留5分钟；在计算机上记录传感器中反射光谱的变化规律，如图10所示，随温度的升高，光谱向长波方向漂移，对其漂移量进行线性拟合，得到如图11所示，该传感器在P和Q点的灵敏度分别0.01082nm/℃和0.0112nm/℃，对温度响应规律稳定。我们同样采用傅里叶带通滤波的方法，提取M2-M3腔频谱0.6166HZ如图12，从25℃升至300℃时的灵敏度为0.01083nm/℃如图13。

图14所示恒温液体折射率实验测试装置图。将光纤传感器的传感头置于折射率溶液中，另一头通过APC头接于SM125解调仪上，连接SM125解调仪和计算机，配制折射率溶液1.3352、1.3365、1.3379、1.3394、1.3405、1.3421、1.3435、1.3445、1.3458、1.3469分别记录光纤传感头在折射率溶液里面的光谱；如图15所示，传感器浸没在折射率1.333溶液里的光谱图，随溶液折射率的增加，光谱向长波方向漂移，对其漂移量进行线性拟合，得到如图16，该传感器在P和Q点的灵敏度分别1197.68nm/RIU和1121.99nm/RIU，对折射率响应规律稳定。

表1 193nm准分子加工参数

本发明采用的是193nm ArF准分子激光器9加工，利用光学成像的方法将193nm深度紫外光照射在光纤表面，深度紫外光与二氧化硅强烈作用具有很好的刻蚀效果；成像边缘规整，所制作的光纤F-P腔结构平整、规则，产生的光谱质量好，传感器制作成功率高，最重要的是193nm ArF准分子激光器9微加工光纤成本低廉，制作方法简单，结构大小可控性强，因此它具有重要的研究、开发和应用价值，是工业测量中的理想选择。

本发明突破传统观念，改变光纤传统意义上的测量单一性，采用现有光纤微加工技术与先进的信号解调技术，用一根光纤测量多个物理量，采用傅里叶带通滤波提取不同环境敏感腔各自频率，实现传感器多参量测量，功能多样化、集成化，监测环境多变化的新型传感器件。

Claims (3)

1.一种光纤F-P腔传感器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤一：取一段光纤，剥掉5cm的涂覆层后得到一段裸光纤，并用酒精清洗，用光纤切刀将裸光纤沿中间切断；

步骤二：将剥掉5cm的涂覆层后得到一段裸光纤固定在载玻片上，并将载玻片放在三维微位移平台(11)上，启动准分子激光器(9)，并调节三维微位移平台(11)使激光光斑聚焦位置与裸光纤端面重合，然后沿光纤轴向向外移动微位移平台使光斑聚焦位置距离裸光纤端面500μm；

步骤三：调节准分子激光器(9)的脉冲频率为50HZ，电压0.9KV，能量25mJ，打开准分子激光器(9)，每持续5s增加0.2KV电压，一直加到1.20KV后停止增加电压，关闭激光器，取下制作出传感器；

步骤四：在距光纤顶端500μm处得到一个40.5μm×40.5μm的正方形的微孔，由于紫外激光在刻蚀光纤过程中会在孔内留下很多二氧化硅晶体杂质，用5％的氢氟酸溶液清洗孔内杂质，制成了一个关于压强、温度和液体折射率同时测量的传感器；

所述准分子激光器(9)的激光输出端设有光路系统，光路系统包括一个多形状光阑(10)，8个高质量193nm激光反射镜，一个成像凸透镜，准分子激光器(9)输出的激光先通过第一个反射镜反射后，进入光阑(10)，调整光阑(10)使激光进入3.5mm×3.5mm的正方形小孔滤 光，此时的小孔充当成像凸透镜的物体，经过多次反射进入凸透镜后，在凸透镜的像方空间成倒立缩小的实像，此时成像的位置就是光纤需要加工的位置，调整微位移平台使光纤侧面中央到达这个像的位置；

所述的光路系统由准分子激光器(9)水平射出一束激光，经过第一反射镜(1)反射后进入位于它正上方的多结构小孔光阑(10)，小孔的尺寸在毫米量级，其中第一反射镜(1)的镜面与前后方向平行，与左右和竖直方向夹角均为45度，激光进入光阑10滤 光后再经过位于光阑10正上方的第二反射镜(2)，将光反射给第三反射镜(3)，依次经过第四反射镜(4)、第五反射镜(5)、第六反射镜(6)和第七反射镜(7)，这里第二反射镜(2)的镜面与前后方向平行，与左右和竖直方向夹角均为45度，第三反射镜(3)的镜面与竖直方向平行，与左右和前后方向夹角均为45度，第四反射镜(4)的镜面与竖直方向平行，与左右和前后方向夹角均为45度，第五反射镜(5)的镜面与竖直方向平行，与左右和前后方向夹角均为45度，第六反射镜(6)的镜面与左右方向平行，与前后和上下方向夹角均为45度，第七反射镜(7)反射的光进入凸透镜，在像方空间经第八反射镜(8)反射在位于其正下方将成出光阑(10)的像；

光纤传感器有三个反射面，分别为M1、M2、M3，第一腔由M1和M2组成，第二腔由M2和M3形成，第三腔由M1和M3组成，在这三个腔形成的干涉中，反射光强度为：

其中A₁、A₂、A₃分别表示入射光经过M1、M2、M3三个面反射后干涉时的振幅；

和

表示经过第一个腔和第二个腔的传播相位差；

由M1和M2组成，

由M2和M3组成；

其中λ为入射光的入射波长；l₀为40.5μm第一腔的腔长，l₁为500μm第二腔的腔长；n₀为微孔空气腔中的折射率，n₁为光纤的纤芯折射率。

2.根据权利要求1所述的一种光纤F-P腔传感器件的制备方法，其特征在于，所述的三维微位移平台(11)上设有CCD摄像头，CCD摄像头用于实时监控微结构加工过程，根据所需要的结构控制三维微位移平台(11)和准分子激光器(9)相应参数。

3.根据权利要求1所述的一种光纤F-P腔传感器件的制备方法，其特征在于，所述的准分子激光器(9)为193nm ArF准分子激光器。

Images