一种基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于飞秒激光直写的光纤法布里‑珀罗传感器的快速制备方法，在具有光滑端面的光纤末端利用飞秒激光沿垂直光纤轴线的方向快速扫描，加工出深度到达光纤纤芯位置的狭槽，由狭槽端面和光纤末端的光滑端面构成法布里‑珀罗传感器结构，还可进一步通过镀膜提高F‑P传感器的反射率。该方法不同于传统利用飞秒激光加工技术制备微腔或通孔时应采用慢速加工的方法，而是采用快速扫描，其加工效率非常高，对于1kHz飞秒激光扫描速度在50μm/s以上，加工时间小于1s。与现有技术相比，本发明专利技术的加工工序更为简单，加工速度快，适合批量加工，制得的F‑P传感器可在很宽的温度范围内实现高灵敏度、高线性的温度传感。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤光学和传感器领域，涉及一种光纤法布里-珀罗传感器的加工方法，具体涉及一种基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法。
技术介绍
光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、防水、抗化学腐蚀、兼具测量传感和信息传输功能等优点，在温度、应力、应变等参量的测量中具有广泛的应用潜力。在各种类型的光纤传感器中，目前精度最高的是干涉型光纤传感器。其中法布里-珀罗传感器因只用一根光纤且结构简单、体积小、动态范围大，在生物医学、磁场、微机电系统中受到广泛的关注。光纤法布里-珀罗(F-P)传感器主要包括两类：一类是利用光纤和一个具有反射面的非光纤元件组成的非本征型结构；一类是利用光纤和另一段光纤构成的本征型结构。本征型光纤F-P传感器的一种加工方法是光纤两端面蒸镀反射介质膜，通过对接或者封装连接起来。由于光纤直径在微米量级，镀膜难度大，对接时需要精确地控制镀膜光纤和连接光纤的对准以减小耦合损失，因此这种方法操作难度较大。利用紫外或者飞秒激光辐照形成一折射率台阶也可以形成F-P光纤传感器。此外还可以在光纤中加工出一段空气微腔，微腔的两个端面构成F-P结构。微腔的加工方法主要有化学腐蚀法和微纳加工技术直接刻蚀法。前者采用化学腐蚀的方法在一段光纤的端面腐蚀出微槽，然后与另一段光纤熔接或者对接在一起构成微腔。微纳加工技术直接刻蚀的方法为采用离子铣或者飞秒激光等微纳加工技术在光纤中直接刻蚀。利用飞秒激光刻蚀微腔结构的F-P传感器要求空腔内壁必须非常光滑，以减小散射损耗，因此要求加工速度非常低。由于F-P干涉仪结构的干涉光谱精细度与腔长成反比，另外为了便于F-P传感器的信号解调，微腔结构在轴向长度通常在15μm以上。采用微纳加工技术必须多次扫描以形成足够长的微腔。最近有报道利用飞秒激光诱导水击穿的加工方法在距离光纤端面不远处刻蚀一个通孔，利用光纤光滑的反射面和该通孔构成F-P传感器结构。该结构相对加工微腔需要去除的光纤区域相对减小。为了提高反射率，进一步的利用电弧放电对微孔进行了光滑。然而为了制备出光滑且贯穿的通孔，制备时通常认为要采用尽可能低的扫描速率，例如对1kHz飞秒激光，扫描速率在2μm/s左右。深度上扫描范围接近光纤直径，约百μm左右，制备时间在50s以上。以上光纤F-P传感器的制备方法均比较复杂。采用飞秒激光加工F-P的方法，对于微腔式或者通孔式F-P结构，通常认为采用慢的加工速度以获得尽可能光滑的内壁及贯穿结构。由于加工区域相对较大，加工时间长。另外由于纤芯区域破坏面积达，损耗较大，尤其是空气微腔结构的F-P光纤传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，该方法采用飞秒激光快速扫描的方式制备出狭槽，使光纤末端和狭槽端面构成法布里-珀罗(F-P)传感器结构，该方法与现有技术相比，加工速度快，加工工序更为简单，适合批量加工。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，其步骤为：在具有光滑端面的光纤末端，利用飞秒激光沿垂直光纤轴线的方向快速扫描，加工出深度到达光纤纤芯位置的狭槽，由狭槽端面和光纤末端的光滑端面构成法布里-珀罗传感器结构；其中快速扫描是指对于1kHz的飞秒激光脉冲，其扫描速度在50μm/s以上。所述的基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，其具体步骤为：1)利用切割刀在光纤末端垂直于光纤轴切割出光滑端面；2)将光纤末端固定，在空气氛围中利用飞秒激光沿垂直于光纤轴的方向横向快速扫描，切割出狭槽，狭槽的深度到达光纤纤芯位置；其中快速扫描是指对于1kHz的飞秒激光脉冲，其扫描速度在50μm/s以上；3)将扫描后的光纤清洗干净，由狭槽端面和光纤末端的光滑端面构成法布里-珀罗传感器结构。所述的狭槽的长度为光纤纤芯直径的2～9倍，狭槽在纤芯处的宽度小于5μm。所述的飞秒激光的扫描次数为单次或者两次。所述步骤3)中依次用酒精、丙酮、去离子水清洗光纤。所述步骤3)中在清洗完光纤后，在光纤末端的光滑端面上镀一层高反射膜提高反射率。所述的高反射膜包括铝膜和银膜，采用蒸镀或者溅射方法进行镀膜。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，采用飞秒激光快速扫描即飞秒激光直写的方式制备出狭槽，使光纤末端和狭槽端面构成法布里-珀罗(F-P)传感器结构。该方法不同于传统利用飞秒激光加工技术制备微腔或者通孔时应采用慢速加工的方法，而是采用快速扫描，其加工效率非常高，对于1kHz飞秒激光，其扫描速度在50μm/s以上，加工时间小于1s，并且加工过程在显微镜下进行，可将加工F-P腔长的长度精度控制在几个微米以内，相对于腐蚀方法，其加工精度高，结果可控性强。同时本专利技术采用的飞秒激光快速扫描法对于任何种类的光纤都适用，加工效率高，可实现大批量生产。在应用中，不镀膜时可满足1000℃以内的温度传感测量的需求，可在很宽的温度范围内实现高灵敏度、高线性的温度传感。该方法与现有技术相比，操作简单，加工速度快，加工工序更为简单，适合批量加工。进一步的，现有技术中通过化学腐蚀等方法制备F-P腔传感需要加工在光纤轴向长度15μm以上的微腔结构，而本专利技术加工出的狭槽在纤芯处的宽度小于5μm，因此本专利技术制得的F-P光纤传感器的机械性能更好。同时在飞秒激光快速扫描的过程中，飞秒激光切割狭槽的深度由激光能量和扫描速度决定，加工参数窗口宽，扫描次数为单次或者2次，不需要很多次重复扫描。另外本专利技术中还可以通过镀膜提高F-P光纤传感器的反射率，可以采用蒸镀或者溅射方法对光纤端面进行镀膜，能够进行批量操作，提高生产效率。附图说明图1是本专利技术中采用的加工装置图；图2是本专利技术中采用的温度传感实验的装置图；图3是本专利技术在加工光纤时的示意图；图4是本专利技术在加工过程中飞秒激光扫描后狭槽的侧面和顶面的光学显微镜图；图5是实施例1制得的F-P传感器在1525nm-1570nm范围内的干涉谱；图6是实施例1制得的F-P传感器在不同温度下干涉谱的变化情况；图7是实施例1制得的F-P传感器在200℃-1100℃内波长偏移量随温度变化的拟合结果；图8是本专利技术中在光纤端面镀膜采用的装置示意图；图9是实施例2制得的F-P传感器干涉谱与实施例1制得的F-P传感器干涉谱对比图；图10是实施例2制得的F-P传感器在20℃-200℃内波长偏移量与温度变化的拟合结果。其中，1为光纤；2为显微物镜；3为飞秒激光；4为CCD；5为三维电动平移台；6为计算机；7为宽带光源；8为光谱分析仪；9为光纤环形器，10为光纤跳线；11为光纤F-P传感器束，12为真空蒸镀腔，13为光纤样品夹具。具体实施方式为了更好的说明本专利技术的目的、技术方案和优点，以下结合具体实施例并参考附图对本专利技术的具体结构及操作过程进行进一步的详细说明。本专利技术提供了一种基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，该方法采用飞秒激光快速扫描的方式制备出狭槽，使光纤末端和狭槽端面构成F-P传感器结构，进一步可通过在光纤末端面镀膜提高F-P传感器的反射率。其具体步骤如下：(1)利用切割刀在光纤末端垂直于光纤轴切割出光滑端面。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于飞秒激光直写的光纤法布里‑珀罗传感器的快速制备方法，其特征在于，其步骤为：在具有光滑端面的光纤末端，利用飞秒激光沿垂直光纤轴线的方向快速扫描，加工出深度到达光纤纤芯位置的狭槽，由狭槽端面和光纤末端的光滑端面构成法布里‑珀罗传感器结构；其中快速扫描是指对于1kHz的飞秒激光脉冲，其扫描速度在50μm/s以上。

【技术特征摘要】
1.一种基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，其特征在于，其步骤为：在具有光滑端面的光纤末端，利用飞秒激光沿垂直光纤轴线的方向快速扫描，加工出深度到达光纤纤芯位置的狭槽，由狭槽端面和光纤末端的光滑端面构成法布里-珀罗传感器结构；其中快速扫描是指对于1kHz的飞秒激光脉冲，其扫描速度在50μm/s以上。2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，其特征在于，其具体步骤为：1)利用切割刀在光纤末端垂直于光纤轴切割出光滑端面；2)将光纤末端固定，在空气氛围中利用飞秒激光沿垂直于光纤轴的方向横向快速扫描，切割出狭槽，狭槽的深度到达光纤纤芯位置；其中快速扫描是指对于1kHz的飞秒激光脉冲，其扫描速度在50μm/s以上；3)将扫描后的光纤清洗干净，由狭槽端面和光纤末端的光滑端面构成法布里-珀罗传感器结构。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，司金海，李思佳，杜勇，侯洵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61