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