一种基于微孔光学反射隔膜的光纤F‑P多功能传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于微孔光学反射隔膜的光纤F‑P多功能传感器。通过单模光纤‑光纤毛细管‑微孔光学反射隔膜依次联结构成的F‑P腔体结构，以及特殊的微孔反射隔膜结构的设计，实现了一种能够在普通气压以及外界高压条件下对液体折射率、空气湿度和超声进行高灵敏探测的光纤内置F‑P多功能传感器。本发明专利技术使得传感器体积微型化，结构简单化、一体化，灵敏度高，响应速率快，抗电磁干扰性能强，能够应用在环境监测，生化检测，超声探测等领域，具有较高的市场前景和价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微孔光学反射隔膜的光纤F-P多功能传感器
本专利技术涉及光纤传感
，特别是一种光纤法布里-珀罗F-P传感器。
技术介绍
随着科学技术的迅速发展，人们开始追求传感器的小型化、轻量化，以及对恶劣环境的适应性。因此光纤传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、易复用、灵敏度高、测量范围大，结构小巧等优点成为了近年来学者们研究的热点。常用的光纤传感器主要包括：基于马赫-增德尔干涉仪的传感器、法布里-珀罗干涉仪的传感器、萨尼亚克干涉仪的传感器、以及基于光纤光栅的传感器。其中基于法布里-珀罗(F-P)干涉仪的传感器是目前应用历史最长，技术最为纯熟、应用最为广泛的光纤传感器之一，已经成功被应用于温度、压力、位移、应变、超声、折射率、湿度、气体浓度等物理和化学参数的测量。现有的光纤F-P传感器的制作方法有很多，包括：端面镀膜法(将一段光纤焊接在两个镀有高反射膜光纤的中间形成F-P腔)、光栅成腔法(在一段光纤上刻蚀两个完全相同的布拉格光栅形成F-P腔)、飞秒刻蚀法(利用飞秒脉冲激光器在光线表面或内部刻蚀形成F-P腔)、空心光纤法(将空心光纤与常规光纤想熔接形成F-P腔)。然而依据上述方法做成的光纤F-P传感器，F-P腔的质量很容易受到加工技术的影响而且成本较高，往往只能对特定的单一参数进行检测。追求功能的多样性是目前研究F-P传感器的一大重要目标。而光纤F-P传感器的功能主要由其腔型决定。依据的光纤F-P传感器的具体制作方法和腔型结构，光纤F-P传感器可主要分为开腔式和闭腔式。对于开腔式的F-P传感器，被测物质可以进入F-P传感器的腔体，通过改变腔内的相对折射率实现对一些化学量和物理量的检测，比如液体的折射率、空气的相对湿度、气体的浓度等。相对于开腔式F-P传感器，闭腔式F-P传感器通过被测参量的改变引起反射隔膜的形变，进一步导致腔长的改变，最终通过对腔长变化的解调实现对振动、应变、声波/超声波、压强、位移等物理参数的探测。如2012年3月14日公开的中国专利CN102374874A和2012年3月21日公开的中国专利CN102384809A，都采用了闭腔式的F-P传感器设计，可实现对应变或压力、压强的探测。但由于其闭腔结构，通常无法完成对化学参量的探测，比如液体折射率，空气湿度，气体浓度等。可见获得一种既能探测化学量又能探测物理量的光纤F-P传感器显得十分必要。除了多功能性，感应灵敏度也是光纤F-P传感器中十分重要的性能指标。基于反射隔膜式的F-P传感器，其感应灵敏度正比于r4/h3(GuoF,FinkT,HanM,etal.High-sensitivity,high-frequencyextrinsicFabry–Perotinterferometricfiber-tipsensorbasedonathinsilverdiaphragm.OpticsLetters,2012,37(9):1505-1507),这里r是隔膜的半径，h是反射隔膜的厚度。也就是说，反射隔膜的半径越大厚度越小，传感器的灵敏度就越高。对于光纤F-P传感器，为了满足小型化的需要，通常反射隔膜的直径一般取决于所用光纤的直径。因此F-P传感器的灵敏度主要由反射隔膜的厚度决定。通过合理控制膜厚，可以实现应力、应变、加速度等物理量的测量。如2009年10月18日公开的中国专利CN101368979A，实现了一种基于单模光纤-光纤毛细管-实心光子晶体光纤的F-P加速度传感器。在该专利技术中，采用了实心光子晶体光纤与光纤F-P腔的熔合，通过研磨降低了所熔光子晶体光纤的长度，并且通过激光微加工的方法在实心光子晶体光纤的中心部分制作出反射隔膜，该反射隔膜的厚度为3-20微米。但其不足之处是，通过激光微加工的方法，操作方法复杂，成本较高。重要的这种制备方法，难以将反射隔膜的控制在微米数量级以下。当一些微弱信号(如声波、超声波)作用于振动膜片时，很难引起振动膜片的形变。相对于纳米数量级的反射隔膜，上述传感器的探测灵敏度和对信号的分辨率依然相对较低，无法实现对超声/声波信号的高灵敏度的探测。另一种提高灵敏度的方法是增大反射膜的半径，但采用这种办法必将以增大传感器的体积为代价。如2014年1月22日公开的中国专利CN103528665A，提出的一种法布里-珀罗MEMS声波传感器，采用准直器、SOI晶片和声敏感薄膜设计的声波传感器，通过增大反射薄膜的半径提高灵敏度可以实现对声波的探测。但其传感器的直径比普通单模光纤大了将近16倍。与光纤传感器相比，其体积过大，不利于小型化传感器的需求。另外其声敏感薄膜的厚度为2-4微米，相对于纳米数量级的反射隔膜，该传感器的探测灵敏度仍然有较大的提升空间。针对上述问题，迫切地需要一种体积小、低成本，制作简单，灵敏度高，能够同时实现对化学量和物理量探测的多功能、多用途的光纤F-P传感器。
技术实现思路
本专利技术针对光纤F-P传感器体积超小型化、高探测灵敏度、探测功能多样化的需要，并考虑现有技术的不足，提供了一种基于微孔光学反射隔膜的光纤内置型F-P多功能传感器。本专利技术通过以下技术方案实现。一种基于微孔光学反射隔膜的光纤F-P多功能传感器，包括：单模光纤、光纤毛细管、微孔光学反射隔膜；所述光纤毛细管的一端与所述单模光纤的一端通过熔接的方式连接，所述光纤毛细管的另一端和所述微孔光学反射隔膜通过粘接的方式连接；所述微孔光学反射隔膜上有微孔，所述光纤毛细管的中空部分作为所述光纤F-P多功能传感器的F-P干涉腔。进一步地，所述微孔光学反射隔膜的厚度为100-300纳米。进一步地，所述微孔光学反射隔膜通过使用微孔掩模板和金属气相沉积法或金属磁控溅射法制备。本专利技术通过一定的连接方式将单模光纤-光纤毛细管-超薄微孔光学反射隔膜结合在一起，构成F-P干涉传感器。光束从单模光纤的末端和光学反射隔膜两个端面反射形成干涉，其干涉谱是腔长和腔内折射率的函数。当外界测量对象引起F-P腔长或腔内折射率的变化时，相应的反射的干涉光谱就会发生改变。通过干涉谱的变化，可最终解调出外界参数的变化。微孔光学反射隔膜采用了超薄的微孔结构设计，使得F-P腔能与外界环境相通，这种开腔式的结构设计使得本专利技术具有以下优势：⑴反射式F-P传感器的灵敏度与所用反射隔膜的厚度成反比，本专利技术所用微孔光学反射隔膜的厚度为100-300纳米，保证了本传感器具有极高的灵敏度。⑵外界高动态信号的扰动如声的/超声信号，会引起光学反射隔膜快速微小的形变，进而造成F-P腔长随信号的变化，使得本专利技术能够探测高动态的信号如声的/超声。⑶在液态的测量环境下，借助于微孔光学反射隔膜上的微孔，开腔式的结构设计能够将液体进入腔内，改变腔内的F-P腔的折射率。因此本专利技术传感器能够用来测量液体的折射率。⑷在高压环境中，开腔式的结构设计平衡了腔内外的压差，避免了因F-P腔内外的高压差造成的光学反射隔膜的撕裂与损坏，保证了本专利技术传感器能在高压条件下做业。⑸由于微孔的存在，水蒸气可经过光学反射隔膜的微孔进入到F-P腔内，改变腔内的折射率。因而本专利技术传感器能够用来测量空气的相对湿度。除此之外本专利技术还具有光纤F-P传感器所共有的体积微型化、结构简单化、响应速率快、抗电磁干扰等优点。附图说明图1是本专利技术光纤内置F-P多功能传感器的探头本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微孔光学反射隔膜的光纤F‑P多功能传感器，其特征在于：所述光纤F‑P多功能传感器包括：单模光纤、光纤毛细管、微孔光学反射隔膜；所述光纤毛细管的一端与所述单模光纤的一端通过熔接的方式连接，所述光纤毛细管的另一端和所述微孔光学反射隔膜通过粘接的方式连接；所述微孔光学反射隔膜上有微孔，所述光纤毛细管的中空部分作为所述光纤F‑P多功能传感器的F‑P干涉腔。

【技术特征摘要】
1.一种基于微孔光学反射隔膜的光纤F-P多功能传感器，其特征在于：所述光纤F-P多功能传感器包括：单模光纤、光纤毛细管、微孔光学反射隔膜；所述光纤毛细管的一端与所述单模光纤的一端通过熔接的方式连接，所述光纤毛细管的另一端和所述微孔光学反射隔膜通过粘接的方式连接；所述微孔光学反射隔膜上有微孔，所述光纤毛细管的中空部分作为所述光纤F-P多功能传感器的F-P干涉腔，所述微孔光学反射隔膜的厚度为100-300纳米；所述微孔光学反射隔膜为扇形叶片的结构设计，使所述光纤F-P多功能传感器为开腔结构；所述微孔光学反射隔膜是通过使用微孔光学隔膜掩模板和金属气相沉积法...

【专利技术属性】
技术研发人员：田佳峻，全明冉，李苑，姚勇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44