《物理学报》：光纤法布里——珀罗干涉温度压力传感技术研究进展（深圳大学：李自亮、廖常锐、刘申、王义平）.pdf_大学文库

物理学报 Acta Phys.sin.Vol.66.No.7(2017)070708 专题:光纤传感光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展* 李自亮廖常锐刘申王义平 (深圳大学光电工程学院,光电子器件与系统教育部重点实验室,深圳518060) (2017年1月19日收到;2017年2月24日收到修改稿) 光纤法布里-珀罗干涉温度和压力传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、体积小和抗电磁干扰能力强等优点,已被广泛应用于军事和民用领域。在某些环境恶劣,如具有强电磁干扰和腐蚀性,或提供给传感器的安装空间非常有限的特殊工业领域,微型光纤温度和压力传感器发挥着重要的作用,国内外诸多高校、科研院所都在对其进行硏究.本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术、及其压力和温度传感应用的研究进展.详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺,分析了不同制作工艺的优缺点;详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用;最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行了总结和展望关键词:光纤传感器,法布里-珀罗干涉仪,温度传感器,压力传感器 PACs:0707Df,87.85fk,88.10.gk,42.81Pa DOI:10.7498/aps.66.070708 自从1988年Lee和 Taylor10首次成功制备了本征型法布里-珀罗干涉( (intrinsic Fabry- Perot in- erferometric,IFPI)光纤传感器和1991年 Murphy 光纤传感技术的发展始于20世纪70年代,是等首次成功制备了非本征型法布里-珀罗干涉光电技术发展最活跃的分支之一1-3.近十余年,( extrinsic Fabry-Perot interferometric,EFP1)光纤随着半导体光电技术、光纤通信技术以及计算机技传感器以来,光纤法布里-珀罗型传感器逐渐成为术等相关技术的进步,光纤传感技术迅速发展.光光纤传感器家族中的重要成员.目前,常见的FP 纤传感器具备独特的优势,比如抗电磁场干扰、绝腔光纤温度和压力传感器的制备方法包括:湿法缘性高、灵敏度好等诸多优点.典型的传感器件包化学腐蚀制备法2-1、电弧放电制备法6-18,飞括光纤陀螺仪、光纤水听器、光纤电流传感器、光纤秒激光制备法19-2、聚合物辅助制备法2-2等压力传感器及光纤温度传感器,适于在医疗、航空2005年, Donlagic和 Cibula2提出了基于膜片设航天、桥梁建筑、高温油井和国防等领域应用-η.计的全光纤法布里-珀罗(F-P)腔压力传感器结构比如,在医学领域,利用光纤压力传感器在手术过利用氢氟酸腐蚀膜片,使膜片尽可能薄,并通过压程中对动脉和静脉的血压、颅内压、心内压等的实力容器装置进行实时监测,以便得到设计的灵敏时监测.其中光纤压力传感器已经产品化,比如度.2011年,Ma等利用电弧放电的方式在光美国强生 Codman有创颅内压监测仪以及加拿大纤端面制作出微米厚度的空气腔制作完成的压力 FISO光纤压力传感器公司等传感器的压力灵敏度高达约315mp/MPa,具有较 *国家自然科学基金(批准号:61635007,61425007,61377090,61575128)、广东省自然科学基金(批准号:2014A030308007, 2014B050504010,2015B010105007,2015A030313541)、深圳市科技创新委员会项目(批准号:GJHZ2015031309375575 JCYJ20160520163134575,JCYJ20160427104925452)和珠江学者项目资助的课题 t通信作者.E-mail:ypwang(@szu.edu.cn ◎2017中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulicb.iphy.ac.cn

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070708 专题: 光纤传感光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展∗ 李自亮廖常锐刘申王义平† (深圳大学光电工程学院, 光电子器件与系统教育部重点实验室, 深圳 518060) ( 2017 年 1 月 19 日收到; 2017 年 2 月 24 日收到修改稿 ) 光纤法布里 -珀罗干涉温度和压力传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、体积小和抗电磁干扰能力强等优点, 已被广泛应用于军事和民用领域. 在某些环境恶劣, 如具有强电磁干扰和腐蚀性, 或提供给传感器的安装空间非常有限的特殊工业领域, 微型光纤温度和压力传感器发挥着重要的作用, 国内外诸多高校、科研院所都在对其进行研究. 本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术、及其压力和温度传感应用的研究进展. 详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺, 分析了不同制作工艺的优缺点; 详细介绍了光纤法布里 -珀罗干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用; 最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行了总结和展望. 关键词: 光纤传感器, 法布里-珀罗干涉仪, 温度传感器, 压力传感器 PACS: 07.07.Df, 87.85.fk, 88.10.gk, 42.81.Pa DOI: 10.7498/aps.66.070708 1 引言光纤传感技术的发展始于20世纪70年代, 是光电技术发展最活跃的分支之一[1−3] . 近十余年, 随着半导体光电技术、光纤通信技术以及计算机技术等相关技术的进步, 光纤传感技术迅速发展. 光纤传感器具备独特的优势, 比如抗电磁场干扰、绝缘性高、灵敏度好等诸多优点. 典型的传感器件包括光纤陀螺仪、光纤水听器、光纤电流传感器、光纤压力传感器及光纤温度传感器, 适于在医疗、航空航天、桥梁建筑、高温油井和国防等领域应用[4−7] . 比如, 在医学领域, 利用光纤压力传感器在手术过程中对动脉和静脉的血压、颅内压、心内压等的实时监测. [4] . 其中光纤压力传感器已经产品化, 比如美国强生Codman有创颅内压监测仪以及加拿大 FISO 光纤压力传感器公司等[8,9] . 自从1988年Lee和Taylor[10] 首次成功制备了本征型法布里-珀罗干涉 (intrinsic Fabry-Perot interferometric, IFPI)光纤传感器和1991年Murphy 等 [11] 首次成功制备了非本征型法布里-珀罗干涉 (extrinsic Fabry-Perot interferometric, EFPI)光纤传感器以来, 光纤法布里-珀罗型传感器逐渐成为光纤传感器家族中的重要成员. 目前, 常见的F-P 腔光纤温度和压力传感器的制备方法包括: 湿法化学腐蚀制备法[12−15]、电弧放电制备法[16−18] , 飞秒激光制备法 [19−21]、聚合物辅助制备法 [22−24] 等. 2005年, Donlagic和Cibula [12] 提出了基于膜片设计的全光纤法布里-珀罗(F-P)腔压力传感器结构, 利用氢氟酸腐蚀膜片, 使膜片尽可能薄, 并通过压力容器装置进行实时监测, 以便得到设计的灵敏度. 2011 年, Ma等 [16] 利用电弧放电的方式在光纤端面制作出微米厚度的空气腔制作完成的压力传感器的压力灵敏度高达约315 mp/MPa, 具有较 ∗ 国家自然科学基金 (批准号: 61635007, 61425007, 61377090, 61575128)、广东省自然科学基金 (批准号: 2014A030308007, 2014B050504010, 2015B010105007, 2015A030313541)、深圳市科技创新委员会项目 (批准号: GJHZ2015031309375575, JCYJ20160520163134575, JCYJ20160427104925452) 和珠江学者项目资助的课题. † 通信作者. E-mail: ypwang@szu.edu.cn © 2017 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 070708-1

物理学报 Acta Phys.Sin.Vol.66,No.7(2017)07070 好的高温(00°C)稳定性.2007年,Wei等利同理,透射光强为用飞秒激光制备了微型法布里-珀罗干涉仪( Imicro t= Ete (5) Fabry Perot interferometer,MFPI),其测试温度高达1100°C.此外,H等叫利用SU-8复合材料研且反射光强、透射光强满足制的压力传感器在微电子机械系统( micro electro Ir+It=1 mechanical systems,MEMS)中得到了广泛应用本文综述了光纤法布里珀罗干涉仪的基本原4)式和(5)式就是干涉强度分布公式,即艾里公式理、制备技术及其压力和温度传感应用的研究进展详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺,分析了不同制作工艺的优缺点;详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用;最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传图1多光束干涉原理图感器的发展进行了总结和展望 Fig. 1. Multi-beam interference principle 2光纤F-P干涉原理 .1光纤F-P压力传感器干涉原理光纤F-P干涉传感器是基于多光束干涉而成种典型的光纤FP腔压力传感器的基本结构如图2所示,将两根光纤的端面作为反射面,使的传感机理.随着18世纪末多光束干涉仪的发明两光纤端面严格平行、同轴,与中空光纤形成一个而发展,从一开始研究体积较大的F-P干涉仪,到腔长为l的密封光纤F-P腔.当传感探头受到外界 20世纪80年代左右出现了体积较小的FP干涉仪从此FP干涉仪被逐步地应用于各种传感领域,也均匀分布的压力时,其腔体轴向变形表达式为 △Pr2 出现了各种结构的FP腔传感器2 (7) 束光以一定角度入射至一对平行板中,会发生多次反射和折射,这些相同频率的光会发生干式中:△P为腔体内外压强差;1是腔体长度;r1,r 涉,形成多光束干涉.干涉过程如图1所示,光从折分别为腔体内外半径;E为腔体材料的杨氏模量;μ 射率为n的物质中,以角度为61的入射角进入距为泊松比.当腔体长度l一定时,其变形量与所受离为d中间物质折射率为n的平行板中,光在板内的压强成正比,而腔体长度的变化影响到光纤内入的折射角为62,在板内经过多次反射和折射,其中射光与反射光的光程差,利用光电探测器等即可实任意两束光程差相同的同频光会发生干涉.相现对光信号的解调,最终实现对压力的传感邻两束光的光程差为 Hollow-core tube Adhere A=2nd cos e 对应的相位差为 d2744 在理想情况下,平行板对光无吸收,即透射光T和 Fiber 反射光R满足 Fiber 图2光纤F-P腔压力传感器结构示意图 R+T=1 Fig. 2. Schematic diagram of fiber F-P cavity pressure 这时,反射光强为 Fsin2(6/2) 另一种光纤FP腔压力传感器的基本结构如 1+Fsin2(6/2) (4)图3所示,由于二氧化硅/空气界面的反射率低 070708-2

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070708 好的高温(600 ◦C)稳定性. 2007 年, Wei等[20] 利用飞秒激光制备了微型法布里-珀罗干涉仪(micro Fabry Perot interferometer, MFPI), 其测试温度高达1100 ◦C. 此外, Hill等 [22] 利用SU-8复合材料研制的压力传感器在微电子机械系统(micro electro mechanical systems, MEMS)中得到了广泛应用. 本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术及其压力和温度传感应用的研究进展; 详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺, 分析了不同制作工艺的优缺点; 详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用; 最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行了总结和展望. 2 光纤F-P干涉原理光纤F-P干涉传感器是基于多光束干涉而成的传感机理. 随着18世纪末多光束干涉仪的发明而发展, 从一开始研究体积较大的F-P干涉仪, 到 20世纪80年代左右出现了体积较小的F-P干涉仪, 从此F-P干涉仪被逐步地应用于各种传感领域, 也出现了各种结构的F-P腔传感器 [25] . 一束光以一定角度入射至一对平行板中, 会发生多次反射和折射, 这些相同频率的光会发生干涉, 形成多光束干涉. 干涉过程如图 1所示, 光从折射率为n0 的物质中, 以角度为θ1 的入射角进入距离为d、中间物质折射率为n的平行板中, 光在板内的折射角为θ2, 在板内经过多次反射和折射, 其中任意两束光程差相同的同频光会发生干涉 [26] . 相邻两束光的光程差为 ∆ = 2nd cos θ2, (1) 对应的相位差为 δ = 2π∆ λ = 4π λ nd cos θ2. (2) 在理想情况下, 平行板对光无吸收, 即透射光T 和反射光R满足 R + T = 1. (3) 这时, 反射光强为 Ir = Fsin2 (δ/2) 1 + Fsin2 (δ/2) Ii ; (4) 同理, 透射光强为 It = EtE ∗ t = 1 1 + Fsin2 (δ/2) ; (5) 且反射光强、透射光强满足 Ir + It = 1. (6) (4)式和(5)式就是干涉强度分布公式, 即艾里公式. n θ θ n n d    B D ϕ ϕ ϕ 图 1 多光束干涉原理图 Fig. 1. Multi-beam interference principle. 2.1 光纤F-P压力传感器干涉原理一种典型的光纤F-P腔压力传感器的基本结构如图 2 所示, 将两根光纤的端面作为反射面, 使两光纤端面严格平行、同轴, 与中空光纤形成一个腔长为l 的密封光纤F-P腔. 当传感探头受到外界均匀分布的压力时, 其腔体轴向变形表达式为 ∆l = ∆Plr2 o E ( r 1 o − r 2 i )(1 − 2µ), (7) 式中: ∆P 为腔体内外压强差; l 是腔体长度; ri , ro 分别为腔体内外半径; E 为腔体材料的杨氏模量; µ 为泊松比. 当腔体长度l 一定时, 其变形量与所受的压强成正比, 而腔体长度的变化影响到光纤内入射光与反射光的光程差, 利用光电探测器等即可实现对光信号的解调, 最终实现对压力的传感. Fiber Fiber Hollow-core tube Adhere t l 图 2 光纤 F-P 腔压力传感器结构示意图 Fig. 2. Schematic diagram of fiber F-P cavity pressure sensor. 另一种光纤F-P腔压力传感器的基本结构如图 3所示, 由于二氧化硅/空气界面的反射率低 070708-2

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070708 (< 3.5%), 高阶F-P干涉可以忽略不计 [17] . 则输出的光强度可以表示为 I = |E| 2 = E1 − E2 exp ( 4π λ naird ) + E3 exp [ 4π λ (nsilicat + naird) ] = E 2 1 + E 2 2 + E 2 3 − 2E1E2 cos ( 4π λ naird ) − 2E2E3 cos ( 4π λ nsilicad ) + 2E1E3 cos [ 4π λ (nsilicat + naird) ]2 ≈ E 2 1 + E 2 2 + E 2 3 − 2(E1E2 − E1E3) cos ( 4π λ naird ) − 2E2E3 cos ( 4π λ nsilicat ) (if t → 0), (8) 式中, E1, E2, 和E3 是三束反射波的振幅; d表示腔长; t是薄膜厚度; λ 是光波长; nair 和nsilica 分别是空气和SiO2 的折射率. d t 图 3 光纤 FPI 空气腔示意图 [17] Fig. 3. Schematic diagram of the fiber-tip FPI[17] . 2.2 光纤F-P温度传感器干涉原理燕山大学毕卫红教授所设计的F-P光纤温度传感器的基本结构如图 4所示 [27] . 光纤温度传感是依据把被测的温度转换为光纤F-P干涉长度L 的变化来测量分析的原理进行设计的. 根据应力应变与温度的关系, 对于直角笛卡尔坐标(x, y, z)由被测物体的温度变化引起的应变分量为[28] Xxx = Xyy = Xzz = kT, (9) Xxy = Xyz = Xzx = 0, (10) 式中, k 为物体的热膨胀系数; Xij (i, j = x, y, z)表示被测物体在i, j 方向上的应变分量. 若只考虑光纤温度传感器的轴向应变Xzz = ∆L/L [29] , 则有 ∆L/L = kL. (11) 将两根端面镀膜的多模光纤插入到空芯光纤中, 形成F-P干涉腔. 其中入射光纤用胶固定, 调节反射光纤直到有合适的腔长值后, 用胶固定. 从入射光纤进入的光经过端面M2后一部分透射, 一部分反射形成第1束反射光; 透射光经F-P腔射到反射光纤的端面M2上, 被M1反射. 光再经M2返回到入射光纤, 与第1束反射光形成干涉光. 由于 F-P干涉仪的腔长与温度载荷有一定关系, 当温度发生变化时, 使F-P腔长发生改变, 从而改变输出光的强度, 利用光电探测器即可实现对光信号的解调, 从而实现对温度的传感. Ԧ࠱Аጜ К࠱Аጜ ቇᔇАጜ M1 M2 L↼c↽ ͜ਖ٨᫂ए L 图 4 光纤 F-P 温度传感器 Fig. 4. F-P fiber temperature sensor. 3 光纤 F-P腔传感器制备技术国内外诸多科研机构对光纤F-P腔温度和压力传感器进行了广泛的研究, 形成了多种多样的制备方法. 基于制备方法、传感器材料的不同, 也已经研制出多种类型的光纤F-P腔温度和压力传感器. 不同的制备方法各有优势, 且通过不同制备方法得到的光纤F-P腔传感器的光学特性也各不相同, 以下对常见的光纤F-P腔传感器的制备方法进行简单描述. 3.1 湿法化学腐蚀制备法湿法化学腐蚀是出现较早也是较常见的光纤 F-P腔传感器的制备方法, 它是使用液态腐蚀剂有目的性的移除材料, SiO2 的湿法化学腐蚀几乎都用添加或不加氟化氨(NH4F)的含水氢氟酸来腐蚀 [30,31] . 湿法化学腐蚀在光纤传感主要是用于光纤F-P压力传感器硅膜片的制备. 湿法化学腐蚀工序需要考虑有效的腐蚀剂、腐蚀选择性、腐蚀速率等影响因素. 070708-3

物理学报 Acta Phys.Sin.Vol.66,No.7(2017)07070 入金属套,分别用3,0.5μm砂纸对膜片进行研磨, Air cavity 直至膜片厚度为3—5μm.最后再利用氢氟酸腐蚀 SiOg diaphragm 膜片,使膜片尽可能薄.在进行膜片刻蚀时使用如图5二氧化硅膜片压力传感器12 图7所示的压力容器装置进行实时监测,以便得到 Fig.5. Pressure sensor with a SiO2 diaphragm (2) 设计的灵敏度.腔内刻蚀控制和打磨SiO2膜片的控制是此类传感器制作的难点 2005年, Donlagic和 Cibula2提出了基于膜片设计的全光纤FP腔压力传感器,其结构如 2006年,Zh等1提出了一种高温压力传感图5所示.它的工作机理是采用对压力敏感的器,其制备流程如图7所示.熔接纤芯直径为 SiO2膜片作为光学反射平面,当膜片随着压力的变 625m的渐变折射率光纤(纤芯掺Ge包层不掺化产生位移时,F-P腔腔长也相应地随之发生变化杂)和纤芯直径为105m的阶跃折射率光纤(纤芯不掺杂包层掺F).然后切割纤芯直径为105m的 (a)SMF MMF (b)SMF Cavity blade 阶跃折射率光纤,切割完成后与另一单模光纤熔接,再切割纤芯直径为625um的渐变折射率光纤然后利用氢氟酸腐蚀,待渐变折射率光纤的纤芯腐 Scribing (d) Connector ferrule 蚀完全后,与如图8(a)所示步骤制备好的样品熔 SMF blade 接,然后重复图8(b)的步骤 Interrogation Optical fibe FP cavity Polishing paper 图6压力传感器制备流程口12 Fig. 6. Fabrication proced the pressure sensor [21 这种压力传感器制备流程如图6所示.将外径相同的单模光纤和多模光纤熔接在一起,然后切 response 割多模光纤至40μm,对多模光纤的另一个端面进行刻蚀,刻蚀完成后,与另一单模光纤熔接.熔接后,先利用比长仪切割单模光纤,使其厚度不大于 7膜片厚度控制系统口12 20m:完成传感器主体部分的加工后,将光纤插 Fig.7. System for tuning pressure sensors (2) 105125 625125 105125625/125 Splice Cleave (b) Etch Cleave 图8高温压力传感器的制备流程口1习 Fig.8. Fabrication procedure for the high temperature pressure sensor L 0707084

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070708 Air cavity SiO2 diaphragm 图 5 二氧化硅膜片压力传感器 [12] Fig. 5. Pressure sensor with a SiO2 diaphragm [12] . 2005年, Donlagic和Cibula [12] 提出了基于膜片设计的全光纤F-P腔压力传感器, 其结构如图5 所示. 它的工作机理是采用对压力敏感的 SiO2 膜片作为光学反射平面, 当膜片随着压力的变化产生位移时, F-P腔腔长也相应地随之发生变化. (a) (b) (c) (d) 图 6 压力传感器制备流程 [12] Fig. 6. Fabrication procedure for the pressure sensor [12] . 这种压力传感器制备流程如图 6所示. 将外径相同的单模光纤和多模光纤熔接在一起, 然后切割多模光纤至40 µm, 对多模光纤的另一个端面进行刻蚀, 刻蚀完成后, 与另一单模光纤熔接. 熔接后, 先利用比长仪切割单模光纤, 使其厚度不大于 20 µm; 完成传感器主体部分的加工后, 将光纤插入金属套, 分别用3, 0.5 µm 砂纸对膜片进行研磨, 直至膜片厚度为3—5 µm. 最后再利用氢氟酸腐蚀膜片, 使膜片尽可能薄. 在进行膜片刻蚀时使用如图 7 所示的压力容器装置进行实时监测, 以便得到设计的灵敏度. 腔内刻蚀控制和打磨SiO2 膜片的控制是此类传感器制作的难点. 2006年, Zhu等[13] 提出了一种高温压力传感器, 其制备流程如图 7所示. 熔接纤芯直径为 62.5 µm的渐变折射率光纤(纤芯掺Ge包层不掺杂)和纤芯直径为105 µm的阶跃折射率光纤(纤芯不掺杂包层掺F). 然后切割纤芯直径为105 µm的阶跃折射率光纤, 切割完成后与另一单模光纤熔接, 再切割纤芯直径为62.5 µm的渐变折射率光纤, 然后利用氢氟酸腐蚀, 待渐变折射率光纤的纤芯腐蚀完全后, 与如图 8 (a)所示步骤制备好的样品熔接, 然后重复图 8 (b)的步骤. Sensor response Interrogation system Optical fiber Pressure vessel Pressure in the vessel Air PC pump Phase t t o ρmax NH4F+HF 图 7 膜片厚度控制系统 [12] Fig. 7. System for tuning pressure sensors [12] . (a) (b) (c) 图 8 高温压力传感器的制备流程 [13] Fig. 8. Fabrication procedure for the high temperature pressure sensor [13] . 070708-4

物理学报 Acta Phys.Sin.Vol.66,No.7(2017)07070 (a) SMF SFF 制备完成的F-P干涉仪如图10所示.第一个 F-P腔位于光纤端面的短空气腔,该空气腔采用 SMF SFF In-line fiber SiO2膜片来实现对压力的响应.第二个F-P腔基于光纤中光的传输对折射率的依赖特性来实现传 Ir cavity Air cavity 感器的温度测量功能.通过分辨两个谐振腔的光谱信号来实现对所施加压力和温度的准确测定 (e) In-line mirror R1,a1 Diaphragm Air cavity Fiber end In-fiber-mirror 图10FP干涉仪结构示意图量 ig.10.Schematic diagram of F-P interferometer (4I 2015年, Pegger等1提出了一种类似上述结构的光纤压力和温度传感器( optical fiber pressure and temperature sensor, OPFTS),其结构示意图图9温压一体传感器的制备流程14 如图11所示.制备工艺包括:将光纤布拉格光栅 Fig. 9. Fabrication procedure for ten (FBG)用内外径为130m和200m的玻璃管封 pressure se 装封装完成后,再与直径为200m的多模光纤熔 012年, Pevec和 donlagic同提出了一种适接,精密切割至20m左右,再用03m砂纸进行用于压力和温度同时测量的FP干涉仪.通过制备研磨,直至膜片厚度为610m.然后再用氢氟酸腔长各不相同的FP腔来实现对温度和压力的同腐蚀厚度至2pm.压力和温度的测量是通过内置时测量.其制备流程如图9所示,将切平的单模光的FBG和端面F-P腔来实现的纤和传感光纤( (sensor-- forming fiber,SFF)置于氢通过湿法化学腐蚀来制备F-P腔干涉仪,是近氟酸溶液中,腐蚀时间分别为t1和t2,然后将单模年来比较常见的制备方法.该方法无需激光曝光光纤腐蚀端与另一单模光纤熔接,未被腐蚀的一端无需光纤具有光敏性,制作成本低,简单易行.可切平后与SFF的腐蚀端熔接,再通过精密切割、抛直接使用氢氟酸等腐蚀剂有目的性地移除材料,但模、HF酸腐蚀形成对压力敏感的SO2膜片腐蚀效果难以控制,要求对腐蚀速率精确的控制 Fused bonding FBG FBG Incident light Optical fibre Wavelength/nm 图11(a)基于内置FBG的 OFPTS的结构示意图;(b) OFPTS的光谱图:FBG的波峰与FPI干涉光谱的重叠位置口5 Fig. l1.(a)Schematic diagram of OFPTS based on a SMF with internal FBG;(b)OFPTS spectrum illustrating the super position of the FBG peak and the broadband FPI spectrum [15 070708-5

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070708 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) SMF SMF SMF SFF SFF In-line mirror Polishing paper Thin diaphragm Ferula In-line fiber Air cavity 1-2 µm Air cavity 10-20 µm SFF t1 t2 L2 L2 ~10 min 图 9 温压一体传感器的制备流程 [14] Fig. 9. Fabrication procedure for temperature and pressure sensor [14] 2012年, Pevec和Donlagic [14] 提出了一种适用于压力和温度同时测量的F-P干涉仪. 通过制备腔长各不相同的F-P 腔来实现对温度和压力的同时测量. 其制备流程如图 9所示, 将切平的单模光纤和传感光纤(sensor-forming fiber, SFF)置于氢氟酸溶液中, 腐蚀时间分别为t1 和t2, 然后将单模光纤腐蚀端与另一单模光纤熔接, 未被腐蚀的一端切平后与SFF 的腐蚀端熔接, 再通过精密切割、抛模、HF 酸腐蚀形成对压力敏感的SiO2 膜片. 制备完成的F-P干涉仪如图 10 所示. 第一个 F-P腔位于光纤端面的短空气腔, 该空气腔采用 SiO2 膜片来实现对压力的响应. 第二个F-P腔基于光纤中光的传输对折射率的依赖特性来实现传感器的温度测量功能. 通过分辨两个谐振腔的光谱信号来实现对所施加压力和温度的准确测定. In-fiber-mirror Fiber end-surface Air cavity Diaphragm L2 I0 IR R3֒ α3 R2֒ α2 R1֒ α1 L1 图 10 FP 干涉仪结构示意图 [14] Fig. 10. Schematic diagram of F-P interferometer [14] . 2015年, Poeggel等[15] 提出了一种类似上述结构的光纤压力和温度传感器(optical fiber pressure and temperature sensor, OPFTS), 其结构示意图如图 11 所示. 制备工艺包括: 将光纤布拉格光栅 (FBG)用内外径为130 µm和200 µm的玻璃管封装; 封装完成后, 再与直径为200 µm的多模光纤熔接, 精密切割至20 µm左右, 再用0.3 µm砂纸进行研磨, 直至膜片厚度为6—10 µm. 然后再用氢氟酸腐蚀厚度至2 µm. 压力和温度的测量是通过内置的FBG和端面F-P腔来实现的. 通过湿法化学腐蚀来制备F-P腔干涉仪, 是近年来比较常见的制备方法. 该方法无需激光曝光, 无需光纤具有光敏性, 制作成本低, 简单易行. 可直接使用氢氟酸等腐蚀剂有目的性地移除材料, 但腐蚀效果难以控制, 要求对腐蚀速率精确的控制. (a) (b) Fused bonding Diaphragm FBG Incident light Capillary Optical fibre Cavity 0 2 1520 1600 Wavelength/nm 图 11 (a) 基于内置 FBG 的 OFPTS 的结构示意图; (b) OFPTS 的光谱图: FBG 的波峰与 FPI 干涉光谱的重叠位置 [15] Fig. 11. (a) Schematic diagram of OFPTS based on a SMF with internal FBG; (b) OFPTS spectrum: illustrating the super position of the FBG peak and the broadband FPI spectrum [15] . 070708-5

物理学报 Acta Phys.Sin.Vol.66,No.7(2017)07070 32电弧放电制备法然后设置参数熔接,由于放电过程中液体汽化使熔接点形成一个空气腔;设置马达参数对空气腔施加电弧放电制备光纤FP腔温度或压力传感器适当轴向应力进行拉伸,在拉伸过程放电,使该气是一种实验装置简单、可控性好的制备方法,并且泡分成两个;制备完成后,重复放电使空气腔的厚可自由调节放电电流和放电时间,通过重复放电来度尽可能变薄.在放电过程中,通过光谱仪实时监实现对薄膜厚度的控制这种方法不足之处是电测FPI的反射光谱,从而达到监测该空气腔壁厚度弧放电区域较大,放电位置不够精确,限制了空气的目的腔的制备,并且电极容易氧化影响放电强度的稳定性 1年,Ma等利用电弧放电的方式在光纤端面制备出微米厚度的空气腔,气压灵敏度为 315pm/MPa.其制备流程如图12(a)-(c)所示, Electrode Valve 将内外径为75μm和126μm的玻璃管与普通单模光纤熔接,然后切割玻璃管至50m左右;另一端连接到装有氮气的气压室,随着玻璃管内部持续增 Electrode 压,玻璃管壁可以减小到只有几微米的厚度,但管 (c) Valve 壁不至于破裂;最后通过控制电弧放电参数使管线端面形成气泡腔结构.氮气压力的控制和电弧放电参数的控制是此类传感器制作的难点 2014年,Liao等提出了一种亚微米厚度薄膜的新型F-P干涉仪.通过改进优化的放电技术在光纤端面制备亚微米级厚度的全硅薄膜.这种亚微米厚度薄膜的新型F-P干涉仪制备流程如图13所示,将两单模光纤的端面热熔成弧面,通过调节电图12微腔传感器的制备工艺示意图16 弧放电参数来控制弧面尺寸;在弧面上涂抹液体, iagram of the micro- Electrode Electrode Motor Motor Electrode Electrode (b)Motor Motor Electrode 图13浸油电弧放电加工过程示意图u ematic diagram of the fabrication process of using electrical arc discharge assisted with oi coating in advance [17l

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070708 3.2 电弧放电制备法电弧放电制备光纤F-P腔温度或压力传感器是一种实验装置简单、可控性好的制备方法, 并且可自由调节放电电流和放电时间, 通过重复放电来实现对薄膜厚度的控制. 这种方法不足之处是电弧放电区域较大, 放电位置不够精确, 限制了空气腔的制备, 并且电极容易氧化影响放电强度的稳定性[32] . 2011年, Ma等[16] 利用电弧放电的方式在光纤端面制备出微米厚度的空气腔, 气压灵敏度为 315 pm/MPa. 其制备流程如图12 (a)—(c)所示, 将内外径为75 µm和126 µm 的玻璃管与普通单模光纤熔接, 然后切割玻璃管至50 µm左右; 另一端连接到装有氮气的气压室, 随着玻璃管内部持续增压, 玻璃管壁可以减小到只有几微米的厚度, 但管壁不至于破裂; 最后通过控制电弧放电参数使管线端面形成气泡腔结构. 氮气压力的控制和电弧放电参数的控制是此类传感器制作的难点. 2014年, Liao等 [17] 提出了一种亚微米厚度薄膜的新型F-P干涉仪. 通过改进优化的放电技术在光纤端面制备亚微米级厚度的全硅薄膜. 这种亚微米厚度薄膜的新型F-P干涉仪制备流程如图 13 所示, 将两单模光纤的端面热熔成弧面, 通过调节电弧放电参数来控制弧面尺寸; 在弧面上涂抹液体, 然后设置参数熔接, 由于放电过程中液体汽化使熔接点形成一个空气腔; 设置马达参数对空气腔施加适当轴向应力进行拉伸, 在拉伸过程放电, 使该气泡分成两个; 制备完成后, 重复放电使空气腔的厚度尽可能变薄. 在放电过程中, 通过光谱仪实时监测FPI的反射光谱, 从而达到监测该空气腔壁厚度的目的. R 图 12 微腔传感器的制备工艺示意图 [16] Fig. 12. Schematic diagram of the micro-cavity sensor [16] . (a) Electrode Electrode Electrode Electrode Electrode Electrode Electrode Electrode Electrode Electrode Electrode Moving Moving Moving Moving Motor Motor Motor Motor Motor Motor Motor Motor Motor Motor Motor Motor Liquid Liquid (b) (c) (d) (e) (f) 图 13 浸油电弧放电加工过程示意图 [17] Fig. 13. Schematic diagram of the fabrication process of using electrical arc discharge assisted with oil coating in advance [17] . 070708-6