CN112985478B - 微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构及系统 - Google Patents

微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构及系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及微纳结构的耐高温法布里‑珀罗腔传感结构及系统，具体而言，涉及传感器领域。本申请提供的微纳结构的耐高温法布里‑珀罗腔传感结构，结构包括：主体结构、第一体光栅、第二体光栅和光纤；柱体结构内部设置有孔洞，孔洞的两个相对的面设置有第一体光栅和第二体光栅，且主体结构的外部设置有光纤，由于温法布里‑珀罗腔两侧设置有第一体光栅和第二体光栅，该主体结构内的孔洞构成了法布里‑珀罗腔，当需要对待测信息进行测量时，将本申请的结构设置在待测环境中，当待测环境中的待测因素改变时，法布里‑珀罗腔内部的光束干涉谱线发生漂移，通过对光束干涉谱线的检测，并根据光束干涉谱线的变化与待测因素的对应关系，得到待测因素的量。

Description

微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构及系统
技术领域
本申请涉及传感器领域，具体而言，涉及一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构及系统。
背景技术
高精度传感器在航空航天、兵器测试、石油勘探、采矿冶金等领域有着广泛的需求，并且应用于各个方面，例如温度、湿度、压力、声音、折射率的检测中。
现有技术中一般的，温度传感器、湿度传感器、压力传感器、声音传感器、折射率传感器的使用环境均是在正常环境中，现有的温度传感器、湿度传感器、压力传感器、声音传感器、折射率传感器在特高温的环境下，可能会损坏，或者使得测量结构不准确。
因此，需要一种可以在极端环境中使用的温度传感器、湿度传感器、压力传感器、声音传感器、折射率传感器，可以在极端环境下进行测量，并且测量结构准确。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构及系统，以解决现有技术中需要一种可以在极端环境中使用的温度传感器、湿度传感器、压力传感器、声音传感器、折射率传感器，可以在极端环境下进行测量，并且测量结构准确的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构，结构包括：主体结构、第一体光栅、第二体光栅和光纤；主体结构中设置有孔洞，且孔洞的形状为长方体形状，且孔洞内相对的两个面上分别设置有第一体光栅和第二体光栅，光纤设置在主体结构外部，且靠近第一体光栅或者第二体光栅设置。
可选地，该主体结构、第一体光栅、第二体光栅和光纤的材料为蓝宝石单晶材料。
可选地，该主体结构、第一体光栅、第二体光栅和光纤为一体成型的结构。
可选地，该第一体光栅和第二体光栅均为高反射体光栅。
可选地，该孔洞内设置第一体光栅和第二体光栅的面为相互平行的面。
可选地，该主体结构为长方体结构。
可选地，该主体结构与主体结构内部的孔洞每个边均平行，且主体结构与主体结构内部的孔洞每个边的距离均相同。
第二方面，本申请提供一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感系统，系统包括：光源、光谱仪和第一方面任意一项的微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构，光源与光纤远离主体结构的一端连接，用于产生光信号，光谱仪设置在主体结构远离光纤的一端，用于获取出射主体结构的光信号的光谱，并通过出射光信号的光谱得到主体结构内部光传输量的变化，通过光传输量的变化与待测信息的对应关系，得到待测信息。
本发明的有益效果是：
本申请提供的微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构，结构包括：主体结构、第一体光栅、第二体光栅和光纤；主体结构中设置有孔洞，且孔洞的形状为长方体形状，且孔洞内相对的两个面上分别设置有第一体光栅和第二体光栅，光纤设置在主体结构外部，且靠近第一体光栅或者第二体光栅设置；该柱体结构内部设置有孔洞，该孔洞的两个相对的面设置有第一体光栅和第二体光栅，且该主体结构的外部设置有光纤，由于该温法布里-珀罗腔两侧设置有第一体光栅和第二体光栅，该主体结构内的孔洞构成了法布里-珀罗腔，当需要对待测信息进行测量时，将本申请的结构设置在待测环境中，当待测环境中的待测因素改变时，法布里-珀罗腔内部的光束干涉谱线发生漂移，通过对光束干涉谱线的检测，并根据光束干涉谱线的变化与待测因素的对应关系，得到待测因素的量，且由于法布里-珀罗腔的光束干涉谱线的变化也与温度有关，则本申请的结构还可以在高温环境下对待测因素进行测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的另一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构的反射输出干涉谱线图；
图4为本发明一实施例提供的一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构的反射输出干涉谱线对比图。
图标：10-主体结构；11-孔洞；20-第一体光栅；30-第二体光栅；40-光纤。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。
图1为本发明一实施例提供的一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构的结构示意图；图2为本发明一实施例提供的另一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构的结构示意图；如图1和图2所示，本申请提供一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构，结构包括：主体结构10、第一体光栅20、第二体光栅30和光纤40；主体结构10中设置有孔洞11，且孔洞11的形状为长方体形状，且孔洞11内相对的两个面上分别设置有第一体光栅20和第二体光栅30，光纤40设置在主体结构10外部，且靠近第一体光栅20或者第二体光栅30设置。
本申请的主体结构10内部设置有孔洞11，且该孔洞11的形状为长方体形状，长方体形状的孔洞11相对的两个面分别设置有第一体光栅20和第二体光栅30，即若该长方体形状的孔洞11内壁中一个面上设置有第一体光栅20，则与之相对的一个面上设置有第二体光栅30，该第一体光栅20和第二体光栅30设置位置相同，该主体结构10的外部设置有光纤40，该光纤40可以设置在该主体结构10靠近第一体光栅20的外部，也可以设置在主体结构10靠近第二体光栅30的外部，在本申请中，该孔洞11的具体几何参数根据实际需要进行设置，在此不做具体限定，该光纤40用于传输光信号，将光信号通过该主体结构10的壁传输到该孔洞11内部，该孔洞11相当于一个法布里-珀罗腔，光信号在该法布里-珀罗腔内部来回多次反射，形成多束干涉光，该第一体光栅20和第二体光栅30用于增加该光信号在该法布里-珀罗腔内部的反射率，在检测待测信息前，先检测该法布里-珀罗腔未形变时，该法布里-珀罗腔的光束干涉谱线，在检测待测信息时，若该待测信息的检测环境为高温环境，则该法布里-珀罗腔在高温的影响下产生形变，进而改变该法布里-珀罗腔的光束干涉谱线，进而检测待测信息时，该法布里-珀罗腔的光束干涉谱线进一步发生改变，通过测量待测环境中的温度，并排除该温度对该法布里-珀罗腔的光束干涉谱线的影响，得到待测信息对法布里-珀罗腔的光束干涉谱线的影响，并根据光束干涉谱线的变化与待测因素的对应关系，得到待测因素的量，本申请中待测因素包括但不限定于为温度、湿度、压力、声音、折射率，即温度、湿度、压力、声音、折射率均可以改变该法布里-珀罗腔的光束干涉谱线，也就是说本申请的结构可以用作对温度、湿度、压力、声音、折射率的测量。
图3为本发明一实施例提供的一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构的反射输出干涉谱线图；图4为本发明一实施例提供的一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构的反射输出干涉谱线对比图，可选地，图3和图4中，横坐标表示频率，纵坐标表示光的传输量，图4的虚线表示未受信号影响时的谐振腔曲线，实线表示受信号影响时的谐振腔曲线，从图4中可以的到，若该谐振腔发生膨胀，光的传输量增加，且光的频率左移。
可选地，该主体结构10、第一体光栅20、第二体光栅30和光纤40的材料为蓝宝石单晶材料。
可选地，该主体结构10、第一体光栅20、第二体光栅30和光纤40为一体成型的结构。
本申请中的主体结构10、第一体光栅20、第二体光栅30和光纤40的材料均为蓝宝石单晶材料，且均为为一体成型的结构，即表示本申请的结构为一个整体的蓝宝石单晶体材料制成，蓝宝石单晶体可以引用于温度为2040摄氏度的待测因素的测量，在制备本申请的结构时，在一个完整的蓝宝石单晶体上，使用飞秒激光器微纳加工得到该孔洞11，并在该孔洞11内部使用飞秒激光器逐层扫描技术加工制作该第一体光栅20和第二体光栅30，并在该主体结构10外部靠近第一体光栅20或者第二体光栅30的一端刻蚀得到该光栅；由于蓝宝石单晶体材料的热膨胀系数相同，则当需要在高温环境中测量时，该蓝宝石单晶体材料均匀的发生膨胀，并且不损坏本体结构，当光信号通过该光纤40进入到该孔洞11内部，在第一体光栅20和第二体光栅30之间形成高反射，进而在该孔洞11的法布里-珀罗腔内形成多光束干涉，所有影响蓝宝石孔洞11的法布里-珀罗腔内两个相对的第一体光栅20和第二体光栅30之间光传输介质的参量均可被传感，包括但不限于温度、湿度、压力、声音、折射率等，这些参量的变化会导致法布里-珀罗腔干涉谱线的漂移，进而实现信号传感。
本申请的结构具体的有益效果为：1、本发明中的法布里-珀罗腔传感结构从光输入的蓝宝石光纤40、法布里-珀罗腔以及法布里-珀罗腔内相对壁表面的高反射体光栅为一体化结构，保证了在宽温区工作时的热膨胀系数的一致性，无应力失配问题，实现耐高温的信号传感。2、本发明中的全蓝宝石法布里-珀罗腔内壁的第一体光栅20和第二体光栅30为高反射面，是通过飞秒激光逐层扫描而成，代替传统的介质膜或金属膜，使该法布里-珀罗腔结构耐高温，同时，高反射特性使法布里-珀罗腔具有高精细度，在高灵敏度传感传感方面具有优势。3、本发明中的微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构由飞秒激光整体加工而成，由于飞秒激光高精度的加工技术，所加工的微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构具有一致性好、体积小、成功率高的特点。
可选地，该第一体光栅20和第二体光栅30均为高反射体光栅。
两侧的第一体光栅20和第二体光栅30在光栅周期、光栅长度等参数方面均要保持一致，使得两侧的第一体光栅20和第二体光栅30对光的反射率一致，这样可以在保证第一体光栅20和第二体光栅30对光高反射的同时，确保法布里-珀罗腔为高稳腔，有利于保证对传感信号检测的重复性和可靠性。
可选地，该孔洞11内设置第一体光栅20和第二体光栅30的面为相互平行的面。
可选地，该主体结构10为长方体结构。
可选地，该主体结构10与主体结构10内部的孔洞11每个边均平行，且主体结构10与主体结构10内部的孔洞11每个边的距离均相同。
将该主体结构10设置为长方体结构，且该长方体结构的主体结构10的四条边与该长方体孔洞11的四条边均平行，进一步的，将该主体结构10与主体结构10内部的孔洞11每个边的距离均相同，进一步保障在高温环境下，法布里-珀罗腔发生膨胀时，是均匀的膨胀，避免长和宽方向膨胀量不同，导致的测量待测信息的不准确。
可选地，本申请的结构具体的为：：主体结构10、第一体光栅20、第二体光栅30和光纤40；主体结构10中设置有孔洞11，且孔洞11的形状为长方体形状，且孔洞11内相对的两个面上分别设置有第一体光栅20和第二体光栅30，光纤40设置在主体结构10外部，且靠近第一体光栅20或者第二体光栅30设置；且该主体结构10、第一体光栅20、第二体光栅30和光纤40为一体成型的蓝宝石材料，且该第一体光栅20和第二体光栅30为高反射体光栅，孔洞11内设置第一体光栅20和第二体光栅30的面为相互平行的面，该主体结构10为长方体结构，主体结构10与主体结构10内部的孔洞11每个边均平行，且主体结构10与主体结构10内部的孔洞11每个边的距离均相同。
本申请提供的微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构，结构包括：主体结构10、第一体光栅20、第二体光栅30和光纤40；主体结构10中设置有孔洞11，且孔洞11的形状为长方体形状，且孔洞11内相对的两个面上分别设置有第一体光栅20和第二体光栅30，光纤40设置在主体结构10外部，且靠近第一体光栅20或者第二体光栅30设置；该柱体结构内部设置有孔洞11，该孔洞11的两个相对的面设置有第一体光栅20和第二体光栅30，且该主体结构10的外部设置有光纤40，由于该温法布里-珀罗腔两侧设置有第一体光栅20和第二体光栅30，该主体结构10内的孔洞11构成了法布里-珀罗腔，当需要对待测信息进行测量时，将本申请的结构设置在待测环境中，当待测环境中的待测因素改变时，法布里-珀罗腔内部的光束干涉谱线发生漂移，通过对光束干涉谱线的检测，并根据光束干涉谱线的变化与待测因素的对应关系，得到待测因素的量，且由于法布里-珀罗腔的光束干涉谱线的变化也与温度有关，则本申请的结构还可以在高温环境下对待测因素进行测量。
本申请提供一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感系统，系统包括：光源、光谱仪和上述任意一项的微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构，光源与光纤40远离主体结构10的一端连接，用于产生光信号，光谱仪设置在主体结构10远离光纤40的一端，用于获取出射主体结构10的光信号的光谱，并通过出射光信号的光谱得到主体结构10内部光传输量的变化，通过光传输量的变化与待测信息的对应关系，得到待测信息。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构，其特征在于，所述结构包括：主体结构、第一体光栅、第二体光栅和光纤；所述主体结构中设置有孔洞，且所述孔洞的形状为长方体形状，且所述孔洞内相对的两个面上分别设置有所述第一体光栅和第二体光栅，所述光纤设置在所述主体结构外部，且靠近所述第一体光栅或者第二体光栅设置；所述主体结构为长方体结构，所述主体结构与所述主体结构内部的孔洞每个边均平行，且所述主体结构与所述主体结构内部的孔洞每个边的距离均相同；所述主体结构、所述第一体光栅、所述第二体光栅和所述光纤的材料为蓝宝石单晶材料。
2.根据权利要求1所述的微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构，其特征在于，所述主体结构、所述第一体光栅、所述第二体光栅和所述光纤为一体成型的结构。
3.根据权利要求2所述的微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构，其特征在于，所述第一体光栅和所述第二体光栅均为高反射体光栅。
4.根据权利要求1所述的微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构，其特征在于，所述孔洞内设置所述第一体光栅和所述第二体光栅的面为相互平行的面。
5.一种微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感系统，其特征在于，所述系统包括：光源、光谱仪和权利要求1-4任意一项所述的微纳结构的耐高温法布里-珀罗腔传感结构，所述光源与所述光纤远离所述主体结构的一端连接，用于产生光信号，所述光谱仪设置在所述主体结构远离所述光纤的一端，用于获取出射所述主体结构的光信号的光谱，并通过所述出射光信号的光谱得到所述主体结构内部光传输量的变化，通过所述光传输量的变化与待测信息的对应关系，得到所述待测信息。
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