一种基于微孔光学反射隔膜的光纤F-P多功能传感器

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种光纤法布里-珀罗F-P传感 器。

背景技术

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CN102374874 A 和2012年3月21日公开的中国专利CN102384809 A，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(Guo F, Fink T,Han M,et al.High-sensitivity,high-frequency extrinsic Fabry– Perot interferometric fiber-tip sensor based on a thin silver diaphragm. Optics Letters,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CN101368979 A， 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。在该发明中，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CN103528665  A，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。

发明内容

本发明针对光纤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。

本发明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。

本发明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发明具有以下优势：

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，本发明 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，使得本发明能够探测高动 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。因此本发 明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，保证了本发明传 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。因而本发明传感器能够用来测量空气的相对湿度。

除此之外本发明还具有光纤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是本发明光纤内置F-P多功能传感器的探头示意三维图；

图2是本发明光纤内置F-P多功能传感器的截面示意图；

图3是本发明微孔光学反射隔膜所用相位掩模板结构图；

图4是利用本发明传感器对液体折射率的检测示意图；

图5是利用本发明传感器对空气湿度的检测示意图；

图6是利用本发明传感器对超声的检测示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

附图1给出了本发明的基于微孔光学反射隔膜的光纤F-P多功能传感 器由单模光纤1、光纤毛细管2、微孔光学反射隔膜3三部分组成。光纤 毛细管2的外径与单模光纤1的外径相同，均为125微米，其内径为75 微米。光纤毛细管2的一端与单模光纤1的一端通过熔接的方式连接，光 纤毛细管2的另一端和微孔光学反射隔膜1通过粘接的方式连接，光纤毛 细管1的中空部分作为传感器的F-P干涉腔。光学反射隔膜微孔保证F-P 腔与外界环境相通，使得该传感器具备自动平衡F-P腔内外压差的能力， 防止反射隔膜因内外压差过高而撕裂损坏。

在本实施方式中，所用微孔光学反射隔膜为扇叶状银膜，需要注意的 是：本发明所用微孔光学反射隔膜的材料不仅仅只限于银，还可以是其他 具有反射性质的弹性材料；本发明所用微孔光学反射隔膜的微孔5的形状 不仅仅只限于扇形，在保证F-P腔能与外界环境联通的条件下，微孔的形 状可以根据需要设定。

本发明的具体工作原理如下：光信号由单模光纤入射到本发明的F-P 传感器时，会在F-P腔4的单模光纤端面处发生部分反射和部分透射。其 中透射光经过F-P腔由光学反射隔膜反射回F-P腔，并最终再次进入单模 光纤，并与单模光纤端面的反射光发生双光路干涉。其反射光谱满足下面 的公式，

$\mathrm{nL}=\frac{{\lambda }_1{\lambda }_2}{2({\lambda }_2-{\lambda }_1)}---\left(1\right)$

$\mathrm{\Delta n}=\frac{\mathrm{\Delta \lambda }}{\lambda }n---\left(2\right)$

这里公式(1)中λ₁、λ₂分别代表反射谱干涉图样上任意两个相邻干 涉峰对应的波长，n是腔内物质的折射率，L代表F-P腔的长度，从公式 (1)可以看出，当外界环境引起腔内折射率n或腔长L改变时，都能够 导致干涉光谱的改变，从而能解调出外界参数的改变。公式(2)中Δn代 表折射率的变化值，Δλ本代表波长位置的变化值，λ、n发分别是初始的 相对折射率和中心波长，公式(2)主要适用于高精度的折射率测量。在 本实施方式中，传感器的灵敏度主要由银膜的直径和厚度决定，具体表现 为与银膜半径的四次方成正比，与银膜厚度的立方成反比。

如附图2所示，在本实施例中反射银膜的外径与所用单模光纤 (SMF-28e)相同，都是125微米，反射银膜的内径取决于光纤毛细管的 内径，为75微米。银膜采用了扇形叶片的结构设计，使得F-P腔可与外 界环境相通，平衡了腔内外的压差，保证了本发明传感器能在高压条件下 做业。

如附图3所示，微孔光学反射银膜可以通过使用掩模板和金属气相沉 积法或磁控溅射法制备，银膜的厚度通过控制沉积或溅射的时间，控制为 几十到几百纳米。其中，附图3(a)是微孔光学隔膜掩模板的示意图，附 图3(b)是其局部放大图。光学反射隔膜超薄的厚度保证了本发明能够实 现对振动、声波、超声波等物理量进行高灵敏度的探测。

一种基于微孔光学反射隔膜的光纤F-P多功能传感器的具体实现方法 如下：

(1)通过合理控制光纤熔接机的放电时间和放电强度，手动将单模光纤 与光纤毛细管进行熔接，熔接过后将其置于光纤位移平台上，利用高精度 的光纤切刀，在显微镜辅助下根据所需F-P腔长的长度，将光纤毛细管切 断，控制F-P的腔长为几十到几百微米。

(2)将光学紫外胶水滴至载玻片上，放到匀胶台上，通过控制匀胶台的 旋转速率，使得紫外胶水形成3微米左右的薄膜均匀的分布在载玻片上， 然后通过控制光纤位移平台，将胶水沾到光纤毛细管的尾部。

(3)通过控制光纤位移平台，在显微镜下使得沾有紫外胶的光纤毛细管 与银膜对心接触，在紫外灯的照射下进行紫外胶水固化，完成银膜与毛细 管的粘合，并形成光纤F-P传感器。

[具体实施例1]

如附图4所示，本发明传感器6与环形器7的b端口相连，宽带光源 与环形器7的a端口相接，光谱分析仪与环形器7的c端口相接。将传感 器的传感部分置于液体之中，通过测量光谱仪上的反射光谱的变化情况， 就可以解调出对应的液体折射率的变化。

[具体实施例2]

如附图5所示，本发明传感器6与环形器7的b端口相连，宽带光源 与环形器7的a端口相接，光谱分析仪与环形器7的c端口相接。将传感 器的传感部分置于湿度发生器之中，通过测量光谱仪上的反射光谱的变化 情况，就可以调节出对应的空气湿度的变化。

[具体实施例3]

如附图6所示，本发明传感器6与环形器7的b端口相连，可调谐激 光光源与环形器7的a端口相接，光电探测器8与环形器7的c端口相接， 通过信号放大器10放大的电信号由示波器检测。传感器置于水中，超声信 号通过信号发生器驱动超声换能器9(例如压电陶瓷PZT)产生。外界的 超声波作用于本传感器时会引起光学发射隔膜的形变(凹陷或凸起)，进一 步引起FP干涉腔有效光学路径的变化，最终表现为反射光谱图干涉图样 的变化，从而解调出所探测到的超声信息，传感器最终测得的超声信号可 通过示波器解调出来，实现对超声的检测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。