CN109596243B - 基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤法珀传感器制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤法珀传感器及其制作方法，该传感器结构包括蓝宝石光纤(1)、石英光纤(5)及连接这两种光纤的异质光纤熔接点(6)，所述蓝宝石光纤(1)尾端具有通过飞秒激光刻蚀加工的法珀微腔(2)，法珀微腔(2)所具有的第一反射面(3)和第二反射面(4)产生的两束反射光发生干涉且产生干涉信号(11)；当所处的环境温度发生变化时，所述法珀微腔(2)的腔长和材料折射率发生变化，两束反射光之间的光程差随之发生变化，从而导致干涉信号(11)的变化；通过解调干涉信号得到法珀光程差，进而得到被测温度。本发明具有理论创新性，尺寸小、环境适应力强的特点，可用于狭窄测量环境下的高温精确传感。

Description

基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤法珀传感器制作方法

技术领域

本发明涉及于光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于飞秒激光精密刻蚀工艺制作的微型化蓝宝石光纤高温传感器制作。

背景技术

基于蓝宝石光纤的高温传感技术以其耐氧化、高精度、抗电磁干扰、小型化等特性，在高温监测领域中发挥着重要作用。

近年来，已经提出了多种类型的蓝宝石光纤传感器来实现极高温度(1000℃以上)测量，如光纤光栅型、黑体辐射型和光纤法珀型。其中：(1)蓝宝石光纤光栅传感器受限于蓝宝石光纤较大的数值孔径，模式干扰严重，测量精度相对其他方法较低。(2)黑体辐射型蓝宝石光纤传感器基于普朗克黑体辐射定律，在高温区(600-1600℃)具有很好的测温精度，但是由于低温段辐射功率显著降低，在600℃以下信噪比极速衰减，测温范围受限，只能用于高温段的温度监测。(3)蓝宝石光纤法珀传感器具有极宽的测量范围，可根据要求灵活设计，采用传统研磨工艺与激光刻蚀技术制作，可批量生产，成本较低，因此具有广泛的应用范围。

由于蓝宝石光纤采用晶体生长方式制作，在长度上受限，国际上一般是通过蓝宝石光纤与石英光纤熔接的方式来实现远距离传感，即高温区使用蓝宝石光纤，常温区使用石英光纤加长传输距离。在异质光纤耦合过程中，为了达到尽可能高的耦合效率，需要对蓝宝石光纤和石英光纤端面进行抛光处理以减少熔接点的散射损耗。

发明内容

针对传统蓝宝石光纤传感器尺寸大、响应速度慢的不足，本发明提出了一种基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤法珀传感器制作方法，基于飞秒激光精密刻蚀工艺制作微型化蓝宝石光纤高温传感器，实现传感探头微型、传感器结构简洁一体化，对提高传感器响应速度以及实现复杂环境下温度的实时监测有重要意义。

本发明的一种基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤法珀传感器制作方法，该传感器结构包括蓝宝石光纤1、石英光纤5及连接这两种光纤的异质光纤熔接点6，所述蓝宝石光纤1尾端具有通过飞秒激光刻蚀加工的法珀微腔2，法珀微腔2所具有的第一反射面3和第二反射面4产生的两束反射光发生干涉且产生干涉信号11；当所处的环境温度发生变化时，所述法珀微腔2的腔长和材料折射率发生变化，两束反射光之间的光程差随之发生变化，从而导致干涉信号11的变化；通过解调干涉信号得到法珀光程差，进而得到被测温度；该制作方法具体包括以下步骤：

步骤一、制备双端面抛光的蓝宝石光纤作为传感器材料，具体操作包括：

将直径为100微米的蓝宝石光纤截成15厘米长的一段通过光纤研磨机纺锤固定，将其中的一端露出固定陶瓷插芯端面0.2至0.5毫米，调节光纤研磨机纺锤中轴与研磨盘角度呈90°垂直；在对其抛光之前，选择10um精细度的金刚石研磨纸对光纤端面做定型加工：先用水将研磨盘打湿，将研磨纸旋转吸附到研磨盘上；检查研磨纸与研磨盘之间的贴合度，平整无气泡后进行加工；将研磨机纺锤通过五维位移角度调整架升降控制到光纤端面贴合到研磨纸上，但陶瓷插芯与研磨纸无接触，打开研磨机转盘开关，调整转速为50转/分钟，对光纤端面进行第一次加工；粗略打磨光纤端面至平整，然后在显微镜下观察光纤端面，发现端面呈近圆六边形、表面光滑无缺陷即可；依次将抛光纸换成7μm、3μm、1μm，对光纤端面进行抛光操作，步骤同上；完成研磨定型后，最后要对光纤端面进行高精度的抛光打磨，将研磨纸换成精细度为0.3μm的金刚石抛光纸，研磨过程中对光纤与研磨纸接触处喷清洁水，保持湿润，调节转速为30转/分钟，研磨15分钟；

步骤二、利用异质光纤熔接技术构造传感器***，也就是将双端面抛光的蓝宝石光纤的一端与石英光纤通过光纤熔接机进行手动熔接，构成一个完整的传输波导，具体操作包括：

将石英光纤用光纤切割刀切平端面，在光纤熔接机显微镜下，调节石英光纤端面与蓝宝石光纤端面至同轴，端面间距离控制在10-20μm，设置熔接机光纤夹持电机的前进距离为30-35μm，进行异质光纤熔接；熔接完毕后，石英光纤一端通过光纤跳线与光纤耦合器连接，耦合器的输入端连接到LED光源上，接收端连接到微型光谱仪；

步骤三、进行飞秒激光器校准及蓝宝石光纤法珀微腔刻蚀，具体操作包括：

将蓝宝石光纤固定在一片清洁的载玻片上，载玻片固定到飞秒激光加工平台上，首先调节飞秒激光器光路准直，测试飞秒激光器加工精度，选取加工焦面；控制加工平台，使飞秒激光器聚焦物镜的焦点落在载玻片靠近物镜的外表面上，在同光路可见光显微镜上观察到载玻片表面清晰像，证明焦点对准；水平、竖直方向移动加工平台，直至像面均清晰证明加工平台调垂直完成，载玻片外表面与飞秒激光器聚焦物镜焦面重合，飞秒激光器开机，重复频率选用500KHz、功率选择4W、开机时间选择100ms，对样片进行试加工；关机，观察样片表面：如果载玻片外表面被加工出一个直径10-20μm的黑色小孔，说明加工焦点位置选择正确；如果加工孔直径过大，或者样片上没有出现灼烧的黑孔，说明还需要重新微调位置寻找焦面；完成调焦后，飞秒激光器聚焦到载玻片表面上；这时控制电控位移台移动，由刚才的空白载玻片位置位移到夹持的蓝宝石光纤端面处，调整位置对中放置；移动后，飞秒激光器焦点仍然对准在载玻片外表面上，在物镜与载玻片之间为待加工的蓝宝石光纤，调节电控位移台，使样片垂直后退一个蓝宝石光纤直径的距离，待显微镜下样片不再震动时，微调位置至显微镜下呈现的像清晰；此时蓝宝石光纤最靠近物镜位置处为一条亮线，加工焦距对准在蓝宝石光纤最外缘的边上；打开飞秒激光器，设置飞秒激光器重复频率为500kHz，功率设置为2W，开始加工蓝宝石光纤法珀传感器，设置加工平台按程序竖直位移，光纤在经过焦点时被加工出条棱，重复加工条棱，每个条棱的宽度由光斑直径决定；加工出一个条棱后，水平移动加工平台，继续加工，完成70μm宽度的浅槽加工，然后垂直推进5μm，重复上述加工工序；依次深入推进，直至加工深度达到50μm左右，至此，蓝宝石光纤法珀传感器雏形已经加工完毕，接下来，对光纤精密刻蚀加工切除半个圆柱后剩下的截面，也就是第一反射面进行抛光处理；蓝宝石光纤调整旋转90°，端面法线方向与飞秒激光器出射光方向平行，调节加工平台，将待抛光的第二反射面移动到飞秒激光器焦面处，打开飞秒激光器，设置飞秒激光器重复频率为50MHz，功率设置为2W，对加工出来的第二反射面进行抛光，将传感器通过光纤跳线连接到解调***上，观察信号变化，直至信号光谱出现干涉条纹，停止加工，传感器制作完毕。

与现有技术相比，本发明的基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤高温传感器及其制作方法，具有以下积极效果：

1、本发明采用飞秒激光直接在光纤上刻蚀方法制得，不需要其他配件，结构简单，性能可靠，经济实惠；尺寸小、环境适应力强的特点，可用于狭窄测量环境下的高温精确传感。

2、本发明的温度传感原理在于利用光纤的热光效应和热膨胀效应实现干涉光程差的改变，实现温度到干涉光程差的转化；相比于传统的法珀或者马赫泽德温度传感，本发明具有理论创新性。

3、本发明通过优化法珀传感器光路结构，克服了大数值孔径光纤模式复杂，模式干扰的影响，结构理论具有普遍适用性。

附图说明

图1为不同精细度下蓝宝石光纤端面抛光显微(照片)示意图；

图2为蓝宝石光纤与多模石英光纤熔接点处显微(照片)示意图；

图3为本发明的基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤飞秒激光刻蚀过程中，不同功率下刻蚀的条棱图；

图4为本发明的基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤高温传感器结构示意图；

图5为本发明的基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤高温传感器的光路传输示意图；

图6为利用本发明实施例一的基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤高温传感器所组成的传感***示意图；

附图标记：1、蓝宝石光纤，2、法珀微腔，3、第一反射面，4、第二反射面，5、石英光纤，6、异质光纤熔接点，7、光纤跳线，8、2*1光纤耦合器，9、LED光源，10、原始信号，11、干涉信号，12、光谱仪。

具体实施方式

下面将结合示例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

实施例一：

结合图4和图6所示，为由850nm LED宽带光源9出的原始信号10经光纤跳线7、多模石英光纤5、异质光纤熔接点6、蓝宝石光纤1导入法珀微腔2，干涉信号11光依次经过蓝宝石光纤1、异质光纤熔接点6、石英光纤5、光纤跳线7由光谱仪12接收。高温传感器放置在高温马弗炉13的管式腔内，通过调节马弗炉腔内温度为传感器施加一个温度变量，测量范围为100-1080℃。温度的变化引起法珀微腔2光学折射率和材料膨胀收缩，引起法珀光程差的变化，通过对光谱仪12接收的干涉光谱信息进行计算，就可以获得测量环境温度下的传感器光程差。由于传感器光程差与蓝宝石晶片折射率和晶片热膨胀长度具有固定关系Δ＝2n(T)L(T)，通过反推就可以获得传感实时温度。

一种基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤法珀传感器制作方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：制备双端面抛光的蓝宝石光纤作为传感器材料。

将直径为100微米的蓝宝石光纤截成15厘米长的一段，通过光纤研磨机纺锤固定，将其中的一端露出固定陶瓷插芯端面0.2至0.5毫米，调节光纤研磨机纺锤中轴与研磨盘角度呈90°垂直。由于蓝宝石光纤硬度高，所以在对其抛光之前，选择10μm精细度的金刚石研磨纸对光纤端面做定型加工。先用水将研磨盘打湿，将研磨纸旋转吸附到研磨盘上。检查研磨纸与研磨盘之间的贴合度，平整无气泡方可进行加工。将研磨机纺锤通过五维位移角度调整架升降控制到光纤端面贴合到研磨纸上，但陶瓷插芯与研磨纸无接触。打开研磨机转盘开关，调整转速为50转/分钟，对光纤端面进行第一次加工。粗略打磨光纤端面至平整，然后在显微镜下观察光纤端面，发现端面呈近圆六边形，表面光滑无缺陷即可。

由于10um研磨纸研磨精度较低，光纤端面加工后在高倍显微镜下观察，会存在多道条棱。端面光洁度不足对传感器信号质量和异质光纤熔接质量都会造成不好的影响。因此通过粗研磨获得平整光纤端面后，要对端面进行更高精细度的抛光。依次将抛光纸换成7μm、3μm、1μm，对光纤端面进行抛光操作，步骤同上。完成研磨定型后，最后要对光纤端面进行高精度的抛光打磨，将研磨纸换成精细度为0.3μm的金刚石抛光纸。研磨过程中对光纤与研磨纸接触处喷清洁水，保持湿润，调节转速为30转/分钟，研磨15分钟。

步骤二：异质光纤熔接构造传感器***。

将双端面抛光的蓝宝石光纤的一端与石英光纤通过光纤熔接机进行手动熔接，构成一个完整的传输波导。将石英光纤用光纤切割刀切平端面，在光纤熔接机显微镜下，调节石英光纤端面与蓝宝石光纤端面至同轴，端面间距离控制在10-20μm。调节熔接机进行异质光纤熔接的参数，设置熔接机光纤夹持电机的前进距离为30-35μm，进行异质光纤熔接。熔接完毕后，石英光纤一端通过光纤跳线与光纤耦合器连接，耦合器的输入端连接到LED光源上，接收端连接到微型光谱仪。至此，完整的传感体系初步建立。

步骤三：飞秒激光器校准及蓝宝石光纤法珀微腔刻蚀工艺。

将蓝宝石光纤固定在一篇清洁的载玻片上，载玻片固定到飞秒激光加工平台上。加工平台是由三维纳米电控位移控制台和角度调整架组合构成的，可以起到控制加工平台的位置和角度的功能。首先调节飞秒激光器光路准直，测试飞秒激光器加工精度，选取合适的加工焦面。控制加工平台，使飞秒激光器聚焦物镜的焦点落在载玻片靠近物镜的外表面上。在同光路可见光显微镜上观察，可以观察到载玻片表面清晰像，证明焦点对准。水平、竖直方向移动加工平台，像面均清晰证明加工平台调垂直完成，载玻片外表面与飞秒激光器聚焦物镜焦面重合。飞秒激光器开机，重复频率选用500KHz，功率选择4W，开机时间选择100ms，对样片进行试加工。关机，观察样片表面。如果载玻片外表面被加工出一个直径10-20μm的黑色小孔，说明加工焦点位置选择正确。如果加工孔直径过大，或者样片上没有出现灼烧的黑孔，说明还需要重新微调位置寻找焦面。

完成调焦后，我们已经使飞秒激光器聚焦到载玻片表面上。这时控制电控位移台移动，由刚才的空白载玻片位置，位移到夹持的蓝宝石光纤端面处，调整位置对中放置。注意在移动过程中，保证样片在激光器焦面上水平移动，移动全程不曾改变过载玻片与激光器之间的垂直距离。移动后，飞秒激光器焦点仍然对准在载玻片外表面上，只不过在物镜与载玻片之间多了待加工的蓝宝石光纤。由于蓝宝石光纤的近圆柱结构，在观察显微镜上会呈现一个模糊像。这时，调节电控位移台，使样片垂直后退一个蓝宝石光纤直径的距离，待显微镜下样片不再震动时，微调位置至显微镜下呈现的像清晰。此时蓝宝石光纤最靠近物镜位置处为一条亮线，加工焦距对准在蓝宝石光纤最外缘的边上。

打开飞秒激光器，设置飞秒激光器重复频率为500kHz，功率设置为2W，开始加工蓝宝石光纤法珀传感器。设置加工平台按程序竖直位移，光纤在经过焦点时被加工出条棱。重复加工条棱，每个条棱的宽度由光斑直径决定。实际加工中，条棱宽度要略小于光斑直径。加工出一个条棱后，水平移动加工平台，继续加工。完成70μm宽度的浅槽加工。然后垂直推进5μm，重复上述加工工序。依次深入推进，直至加工深度达到50um左右。至此，蓝宝石光纤法珀传感器雏形已经加工完毕，接下来要对光纤的两个半圆端面进行抛光处理。两个半圆端面，一个是经过抛光后的反射面，该反射面在加工过程中被削去了一半，但剩下的一半仍然保持着光洁度。所以抛光工作的重心是精密刻蚀加工切除半个圆柱后，剩下的截面，也就是第二反射面。

蓝宝石光纤调整旋转90°，端面法线方向与飞秒激光器出射光方向平行。调节加工平台，将待抛光的第二反射面移动到飞秒激光器焦面处。打开飞秒激光器，设置飞秒激光器重复频率为50MHz，功率设置为2W，开始对加工出来的第二反射面进行抛光。注意避免在两个半圆反射面交界处多次加工，防止对抛光好的第一反射面造成破坏。加工过程中产生的碎屑，用超声波清洗机清洗。将传感器通过光纤跳线连接到解调***上，观察信号变化。直至信号光谱出现干涉条纹，停止加工，传感器制作完毕。

传感器工作时，将石英光纤5端通过光纤跳线7与2*1光纤耦合器8的输出端相连、光谱仪12相连接。光纤耦合器输入端接850nm LED光源9为传感器提供原始光信号，耦合器返回端接微型光谱仪10。从850nm LED光源9发出的高斯光源原始信号10依次通过2*1光纤耦合器8进入光纤跳线7、石英光纤5、异质光纤熔接点(6)、蓝宝石光纤1，进入到通过飞秒激光刻蚀加工的法珀微腔2，发生干涉。干涉信号11携带温度信息，从蓝宝石光纤1依次经过异质光纤熔接点6、石英光纤5、光纤跳线7、2*1光纤耦合器8，被微型光谱仪12接收。当传感器所处的环境温度发生变化时，法珀微腔2的腔长和材料折射率发生变化，两束反射光之间的光程差就会发生变化，从而导致干涉信号11的变化。通过解调干涉信号可以得到法珀光程差的信息。进而反推回蓝宝石光纤法珀传感器所处的温度信息。

Claims (1)

1.一种基于飞秒激光刻蚀的蓝宝石光纤法珀传感器的制作方法，该传感器结构包括蓝宝石光纤（1）、石英光纤（5）及连接这两种光纤的异质光纤熔接点（6），所述蓝宝石光纤（1）尾端具有通过飞秒激光刻蚀加工的法珀微腔（2），法珀微腔（2）所具有的第一反射面（3）和第二反射面（4）产生的两束反射光发生干涉且产生干涉信号（11）；当所处的环境温度发生变化时，所述法珀微腔（2）的腔长和材料折射率发生变化，两束反射光之间的光程差随之发生变化，从而导致干涉信号（11）的变化；通过解调干涉信号得到法珀光程差，进而得到被测温度；其特征在于，该制作方法具体包括以下步骤：

步骤一、制备双端面抛光的蓝宝石光纤作为传感器材料，具体操作包括：

将直径为100微米的蓝宝石光纤截成15厘米长的一段通过光纤研磨机纺锤固定，将其中的一端露出固定陶瓷插芯端面0.2至0.5毫米，调节光纤研磨机纺锤中轴与研磨盘角度呈90°垂直；在对其抛光之前，选择10um精细度的金刚石研磨纸对光纤端面做定型加工：先用水将研磨盘打湿，将研磨纸旋转吸附到研磨盘上；检查研磨纸与研磨盘之间的贴合度，平整无气泡后进行加工；将研磨机纺锤通过五维位移角度调整架升降控制到光纤端面贴合到研磨纸上，但陶瓷插芯与研磨纸无接触，打开研磨机转盘开关，调整转速为50转/分钟，对光纤端面进行第一次加工；粗略打磨光纤端面至平整，然后在显微镜下观察光纤端面，发现端面呈近圆六边形、表面光滑无缺陷即可；依次将抛光纸换成7μm、3μm、1μm，对光纤端面进行抛光操作，步骤同上；完成研磨定型后，最后要对光纤端面进行高精度的抛光打磨，将研磨纸换成精细度为0.3μm的金刚石抛光纸，研磨过程中对光纤与研磨纸接触处喷清洁水，保持湿润，调节转速为30转/分钟，研磨15分钟；

步骤二、利用异质光纤熔接技术构造传感器***，也就是将双端面抛光的蓝宝石光纤的一端与石英光纤通过光纤熔接机进行手动熔接，构成一个完整的传输波导，具体操作包括：

将石英光纤用光纤切割刀切平端面，在光纤熔接机显微镜下，调节石英光纤端面与蓝宝石光纤端面至同轴，端面间距离控制在10-20μm，设置熔接机光纤夹持电机的前进距离为30-35μm，进行异质光纤熔接；熔接完毕后，石英光纤一端通过光纤跳线与光纤耦合器连接，耦合器的输入端连接到LED光源上，接收端连接到微型光谱仪；

步骤三、进行飞秒激光器校准及蓝宝石光纤法珀微腔刻蚀，具体操作包括：

将蓝宝石光纤固定在一片清洁的载玻片上，载玻片固定到飞秒激光加工平台上，加工工序包括：首先调节飞秒激光器光路准直，测试飞秒激光器加工精度，选取加工焦面；控制加工平台，使飞秒激光器聚焦物镜的焦点落在载玻片靠近物镜的外表面上，在同光路可见光显微镜上观察到载玻片表面清晰像，证明焦点对准；水平、竖直方向移动加工平台，直至像面均清晰证明加工平台调垂直完成，载玻片外表面与飞秒激光器聚焦物镜焦面重合，飞秒激光器开机，重复频率选用500KHz、功率选择4W、开机时间选择100ms，对样片进行试加工；关机，观察样片表面：如果载玻片外表面被加工出一个直径10-20μm的黑色小孔，说明加工焦点位置选择正确；如果加工孔直径过大，或者样片上没有出现灼烧的黑孔，说明还需要重新微调位置寻找焦面；完成调焦后，飞秒激光器聚焦到载玻片表面上；这时控制电控位移台移动，由刚才的空白载玻片位置位移到夹持的蓝宝石光纤端面处，调整位置对中放置；移动后，飞秒激光器焦点仍然对准在载玻片外表面上，在物镜与载玻片之间为待加工的蓝宝石光纤，调节电控位移台，使样片垂直后退一个蓝宝石光纤直径的距离，待显微镜下样片不再震动时，微调位置至显微镜下呈现的像清晰；此时蓝宝石光纤最靠近物镜位置处为一条亮线，加工焦距对准在蓝宝石光纤最外缘的边上；打开飞秒激光器，设置飞秒激光器重复频率为500kHz，功率设置为2W，开始加工蓝宝石光纤法珀传感器，设置加工平台按程序竖直位移，光纤在经过焦点时被加工出条棱，重复加工条棱，每个条棱的宽度由光斑直径决定；加工出一个条棱后，水平移动加工平台，继续加工，完成70μm宽度的浅槽加工；然后垂直推进5μm，重复上述加工工序；依次深入推进，直至加工深度达到50μm，至此，蓝宝石光纤法珀传感器雏形已经加工完毕，接下来，对光纤精密刻蚀加工切除半个圆柱后剩下的截面，也就是第一反射面进行抛光处理；蓝宝石光纤调整旋转90°，端面法线方向与飞秒激光器出射光方向平行，调节加工平台，将待抛光的第二反射面移动到飞秒激光器焦面处，打开飞秒激光器，设置飞秒激光器重复频率为50MHz，功率设置为2W，对加工出来的第二反射面进行抛光，将传感器通过光纤跳线连接到解调***上，观察信号变化，直至信号光谱出现干涉条纹，停止加工，传感器制作完毕。

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