CN113049181A - 一种光纤法布里—珀罗真空计的制作方法 - Google Patents

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张小莉
陶鹏程
王硕
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Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，提供了一种光纤法布里—珀罗真空计的制作方法。光纤法布里‑珀罗真空计由入射光纤、反射光纤和带有微孔的毛细管组成。与传统真空计相比，光纤法布里—珀罗真空计具有体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰及温度交叉影响小的优点，并可以实现对真空度的直接测量；通过CO2激光对光纤与毛细管进行焊接，提高了光纤法布里‑珀罗真空计的机械强度和长期稳定性，并降低了其温度交叉灵敏度；采用超快激光加工技术对石英毛细管进行打孔，保证了孔的均匀性和石英毛细管的机械强度。本发明为复杂环境下的真空度监测提供了一种极具竞争力的技术方案。

Description

一种光纤法布里—珀罗真空计的制作方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种用于真空度测量的基于光纤法布里—珀罗干涉仪的真空计及其制作方法。
背景技术
真空环境对人类生活贡献巨大，许多工业和实验环境都离不开真空环境。真空技术已经被广泛地应用于科学研究、生物工程、能源工程、航天工程等领域，因此真空度监测技术的发展具有重要的价值。现有的传统真空计主要可以分为三大类：分别是利用力学性能、气体动力学效应和带电粒子效应的真空计。它们绝大多数都是属于间接测量，由于任何物理现象与真空度的关系都是在某一压力范围内才最明显，且不可避免的会带来一些寄生现象，因此这样的真空计会存在一些误差。与传统真空计不同的是，基于光纤法布里—珀罗(Fabry-Perot,F-P)传感器的真空计具有体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰及温度交叉影响小等优点，在真空度检测领域具有很大应用潜力。
真空度的测量归根结底是对气压的测量。光纤F-P传感器测量气压的原理可分为基于F-P腔几何长度的改变进行测量和基于F-P腔内气体折射率变化进行测量的两类传感器，基本原理都是通过测量F-P腔的光学腔长(几何长度与折射率的乘积)来测量气压的变化。其中，前者的代表性传感器是膜片式传感器，此类传感器的缺陷是灵敏度与频率响应不可兼得。为了获得更高的灵敏度，应使用厚度为十几微米甚至更薄的膜片，但是太薄的膜片会导致传感头变得脆弱。后者通过腔内气体折射率的变化从而得出压强的变化，具有高稳定性、高灵敏度和宽动态范围等优点。其原理是当外界压强改变时，腔内气压随之改变，引起气体折射率变化，从而引起光学腔长的变化，当温度一定的情况下，输出光谱仅与外界压强有关，这样我们便可以得到压强的值，从而实现对真空度的检测。
文献Kubota M,Mita Y,Sugiyama M,et al.Silicon sub-micron-gap deeptrench Pirani vacuum gauge for operation at atmospheric pressure[J].Journalof Micromechanics&Microengineering,2011,21(4):45034-45040(7)和Wei D，Fu J，LiuR,et al.Highly sensitive diode-based micro-pirani vacuum sensor with lowpower consumption[J].Sensors,2019,19(1):188分别报道了一种亚微米间隙深沟皮拉尼真空计和一种基于高灵敏度二极管的低功耗微型皮拉尼真空计。然而，这些仪表中的电子元件会受到电磁干扰，限制了他们在某些环境下的应用。近年来，基于光学的真空计在真空度检测领域取得了一些进展，其中光纤气压传感器因其抗电磁干扰、体积小、结构简单、成本低而受到关注。文献Mcmillen B,Jewart C,Buric M,et al.Fiber Bragg gratingvacuum sensors[J].Applied Physics Letters,2005,87(23):647提出一种光纤布拉格光栅压力传感器，利用光学加热光栅的热响应来检测环境气压。然而这种测量方式也属于间接检测，存在一定的误差。因而，设计一种光纤F-P真空计实现对气压的直接测量具有重要的应用价值。
发明内容
本发明提出一种基于CO2激光及超快激光加工技术的光纤法布里-珀罗真空计。该真空计具有体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰、温度交叉敏感性小等优点，测量分辨率可达Pa量级。
本发明的技术方案：
光纤法布里-珀罗真空计由入射光纤、反射光纤和带有微孔的毛细管组成。所述入射光纤为石英光纤，一端用光纤切刀切割，另一端与传输光纤相连接；所述反射光纤也为石英光纤，一端用光纤切刀切割，且在切出的光纤端面上镀一层反射膜，另一端做斜面切割处理以减少端面反射；所述毛细管为石英毛细管，其内径与光纤外径匹配，用于对入射光纤和反射光纤进行准直，其中部利用超快激光打孔，用于气体扩散进出，平衡毛细管内外压力。在显微镜下，将入射光纤经光纤切刀切割的一端与反射光纤镀膜的一端插入石英毛细管，此时入射光纤端面与反射光纤镀膜表面形成F-P干涉仪；随后利用CO2激光将入射光纤和反射光纤分别与毛细管进行焊接，焊点位于毛细管端头与光纤端面之间的位置，保证毛细管与光纤能熔融固定住。CO2激光焊接后即完成了光纤法布里-珀罗真空计探头的制作。
工作时，将光纤法布里-珀罗真空计经传输光纤与解调仪相连接，解调仪产生的激光经传输光纤进入到光纤法布里-珀罗真空计，激光经光纤法布里-珀罗真空计调制后形成干涉光谱，干涉光谱再沿原路返回进入解调仪，被解调仪采集。采集到的光谱由解调仪经数据连接线传输给计算机，由计算机上的解调软件进行数据分析与处理。将光纤法布里-珀罗真空计探头置于被测环境中，当被测环境真空度发射变化时(即被测环境的压强发射变化)，环境中气体的折射率会随之变化。由于毛细管上微孔的存在，环境中气体与光纤法布里-珀罗干涉仪腔体中的气体是连通的，因而真空度的变化会引起法布里-珀罗干涉仪腔内气体的折射率变化，进而引起法布里-珀罗干涉仪光学腔长的变化，光学腔长的变化会导致法布里-珀罗干涉仪干涉光谱的变化，通过计算机上的解调软件可以解调出气体压强的变化，进而实现对真空度的测试。
本发明的有益效果：与传统真空计相比，光纤法布里—珀罗真空计具有体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰及温度交叉影响小的优点，并可以实现对真空度的直接测量；通过CO2激光对光纤与毛细管进行焊接，提高了光纤法布里-珀罗真空计的机械强度和长期稳定性，并降低了其温度交叉灵敏度；采用超快激光加工技术对石英毛细管进行打孔，保证了孔的均匀性和石英毛细管的机械强度。本发明为复杂环境下的真空度监测提供了一种极具竞争力的技术方案。
附图说明
图1为光纤法布里—珀罗真空计探头结构示意图。
图2为测试系统示意图。
图中：1入射光纤；2微孔；3反射膜；4反射光纤；5毛细管；6二氧化碳激光器焊点；7计算机；8数据传输线；9解调仪；10传输光纤；11光纤法布里-珀罗真空计探头。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
1.光纤法布里—珀罗真空计探头11(图1)的制作
(1)石英毛细管5的准备：将石英毛细管用擦镜纸蘸酒精擦拭干净，放入纯净水中浸泡一天，取出待其自然干燥后切成12mm长的小段，其中采用的石英毛细管内径为131μm，外径为410μm；
(2)微孔的制备：采用飞秒激光器在切好的石英毛细管5中间进行微孔加工，形成毛细管上用于气体扩散的微孔2，直径约为60μm；
(3)入射光纤1和反射光纤4的准备：入射光纤1和反射光纤4均采用标准单模光纤，其内径为9μm，外径为125μm；将入射光纤1的一端和反射光纤4的一端分别浸入丙酮试剂中浸泡5～10min去除涂覆层，并用光纤切刀切出平整端面用于构成F-P腔的反射面，其中反射光纤4用于构成F-P腔反射端的一端采用磁控溅射方法镀一层铝膜3，铝膜3用于提高反射端面的反射率；
(4)光纤法布里—珀罗真空计探头的制作：将处理好的入射光纤1经传输光纤10连接到解调仪9上，解调仪9接收的反射光谱传输到计算机7，利用LabVIEW程序实现对反射光谱监测。将入射光纤1放入光纤固定夹具中，将处理好的石英毛细管5放入毛细管固定夹具中，然后将它们分别放入平移操作台的两端调整架上，在显微镜下调节调整架，使光纤进入到石英毛细管中，要保证光纤接近但未到达小孔2处。在距毛细管端面约2mm的位置采用CO2激光器进行焊接，CO2激光器产生的激光先对毛细管进行预热，然后采用占空比13％，持续时间1000ms的激光进行焊接，熔接4～5次，形成二氧化碳激光器焊点6，熔接时要保证计算机7中LabVIEW程序监测的反射光强没有明显下降，且二氧化碳激光器焊点6清晰可见，此时真空计的入射端焊接完成；
按照上述方法将处理好的反射光纤4固定到平移操作台的调整架上，观察LabVIEW程序上显示的腔长，调整出F-P腔长为3mm，同样的方法进行焊接，反射端的焊点6距毛细管端面同样约2mm，焊接完成后要保证LabVIEW程序上看到清晰的干涉谱，完成光纤法布里-珀罗真空计探头11的制作。
2.测试系统(图2)及操作
(1)将光纤法布里-珀罗真空计探头11通过传输光纤10与解调仪9连接，其中解调仪9产生的扫描激光波长范围为1510nm-1590nm；
(2)用数据线8将光学解调仪9与计算机7相连；
(3)打开光学解调仪9，产生的激光通过传输光纤10进入到光纤法布里-珀罗真空计探头11，其反射回的干涉光谱经传输光纤10被解调仪9接收；
(4)解调仪9探测到的干涉光谱信号通过数据线8传输到计算机7，利用LabVIEW软件进行数据采集与处理，完成对被测环境真空度的测试。

Claims (1)

1.一种光纤法布里—珀罗真空计的制作方法，其特征在于，该光纤法布里—珀罗真空计主要由入射光纤(1)、反射光纤(4)和带有微孔(2)的毛细管(5)组成；所述入射光纤(1)为石英光纤，一端用光纤切刀切割，另一端与传输光纤10相连接；所述反射光纤(4)为石英光纤，一端用光纤切刀切割，且在切出的光纤端面上镀一层反射膜(3)，另一端做斜面切割处理以减少端面反射；所述毛细管(5)为石英毛细管，其内径与光纤外径匹配，用于对入射光纤(1)和反射光纤(4)进行准直，其中部开有微孔(2)，用于气体扩散进出，平衡毛细管(5)内外压力；在显微镜下，将入射光纤(1)经光纤切刀切割的一端与反射光纤镀膜的一端插入石英毛细管，此时入射光纤端面与反射光纤镀膜表面形成F-P干涉仪；随后利用CO2激光将入射光纤(1)和反射光纤(4)分别与毛细管(5)进行焊接，焊点位于毛细管(5)端头与光纤端面之间的位置，保证毛细管(5)与光纤能熔融固定住。
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