CN112729601A - 一种利用飞秒激光制备的蓝宝石f-p光纤温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种采用飞秒激光制作蓝宝石法布里珀罗光纤温度传感器的方法。利用飞秒激光作为刻写光源，在蓝宝石光纤中刻制出F‑P微结构，并且经过溶胶涂敷，形成蓝宝石包层，形成高灵敏度、耐高温的蓝宝石F‑P高温传感器。采用飞秒激光制备的蓝宝石光纤F‑P传感器，制作简单，应用广泛，对今后的高温测量领域有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域领域，特别涉及一种利用飞秒激光制备的蓝宝石F-P光纤温度传感器。
背景技术
在应对超高温度的测量中，由于普通传感器的耐温特性较差，并且灵敏度在复杂、超高温环境下表现较差，因而影响了并且制约了例如航天和油井对于超高温度的测量。利用蓝宝石光纤制作的高温传感器应运而生，受到人们重视。与传统光纤器件相比，蓝宝石光纤由于其本生具有的特性熔点高，并且红外波段信号传输效率高，而被大量使用在光纤测量领域中。但是，传统刻制的光纤光栅在高温下容易被擦除，失去其高温测量效果，因此本文提出了一种利用飞秒激光在蓝宝石光纤内制作 F-P结构的高温传感器制作方法。法布里-珀罗(F-P)光学传感器是一种典型的光学传感器结构，适用于在剧烈振动、易燃易爆、强磁干扰、高温高压等恶劣条件下测量温度。
F-P器具全称为法布里-珀罗谐振腔(Fabry–Pérot cavity)，又称为平面平行腔。其在光纤中的结构一般由两侧渡有高反射率的反射镜组成，或是将光纤两端面镀膜，通过封装或对接制成。但由于光纤的直径在微米量级，镀膜材料难以选择，镀膜难度大，且在封装或对接时需要精确地控制镀膜光纤和精确连接光纤以减小耦合损失，操作难度大。本文提出了一种利用飞秒激光获得蓝宝石光纤F-P结构的方法，此方法基于强激光引起材料性质发生改变，从而影响材料折射率的方法制作。
蓝宝石光纤由于其独特生长方式，其制作成品为无包层结构，此结构将大大影响光纤传感器信号传输性能。为解决此问题，本文提出一种化学涂敷法，使用多晶氧化铝溶液进行蓝宝石表面涂敷，具有热膨胀系数兼容，并且能有效形成全反射光信号传输特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种利用飞秒激光制备的蓝宝石F-P光纤温度传感器，，增加装置的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种利用飞秒激光制备的蓝宝石F-P光纤温度传感器，所述方法包括以下步骤：步骤a、将蓝宝石光纤依次放入36％的浓盐酸、丙酮以及酒精中各清洗10分钟，清洗过后干燥10分钟，对干燥后的所述蓝宝石光纤进行化学机械抛光；步骤b、对抛光后的所述蓝宝石光纤进行超声波清洗，将清洗过后的所述蓝宝石光纤放置在飞秒激光刻制台上；步骤c、将所述蓝宝石光纤垂直所述飞秒激光刻制台，打开飞秒激光，将所述飞秒激光聚焦在纤芯顶部，调高所述飞秒激光功率，沿着所述蓝宝石光纤垂直方向向下刻写，刻制出第一个反射镜；步骤d、将所述飞秒激光移动500um刻制出第二个反射镜，形成法布里珀罗结构；步骤e、将刻制完成后的所述蓝宝石光纤用超声波清洗，并对刻制好的所述蓝宝石光纤进行包层涂覆；步骤f、对涂覆后的所述蓝宝石光纤进行烧结，烧结后的得到蓝宝石F-P光纤，所述蓝宝石F-P光纤折射率为1.6。
优选的，步骤a中所述蓝宝石光纤进行化学机械抛光作业时，抛光头与抛光垫转速为70r/min，抛光压力抛光液采用二氧化硅抛光液，抛光液流速为90ml/min，抛光压力为49kpa。
优选的，步骤e中所述蓝宝石光纤进行包层涂覆作业时，使用Al2O3多晶氧化铝溶液在80℃下进行涂敷，涂覆时间为1小时。
优选地，步骤f中所述蓝宝石光纤进行烧结作业时，烧结温度为500 摄氏度。
一种蓝宝石F-P光纤传感器高温测量方法，所述测量方法包括以下步骤：步骤①、将蓝宝石F-P光纤传感器放置在高温炉内，环形器三个接口依次连接宽带光源、光谱仪和所述蓝宝石F-P光纤传感器；步骤②、进行测量时，调节所述高温炉的温度，所述宽带光源将光通过所述环形器输送到所述蓝宝石F-P光纤传感器的F-P端，所述F-P端将特定波长的光通过所述环形器反射到所述光谱仪，所述光谱仪进行分析。
优选的，在100～1500℃温度范围内，所述蓝宝石F-P光纤传感器具有良好的线性度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明使用蓝宝石光纤，高温下性能良好；
2、使用溶胶涂敷法获得蓝宝石光纤包层，大大增加传感器信噪比；
3、F-P传感器灵敏，且制作方式简单，重复性良好，适合大规模制作与加工。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明光纤F-P结构示意图；
图2示意性示出了本发明蓝宝石光纤F-P高温测量方法示意图；
图3示意性示出了本发明蓝宝石光纤F-P反射光谱示意图；
图4示意性示出了本发明蓝宝石光纤F-P波长-温度线性示意图。
图中：
1、蓝宝石光纤F-P传感器 2、反射镜
3、宽带光源 4、光谱仪
5、环形器 6、高温炉
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本文涉及一种利用飞秒激光和溶胶涂敷法制成的高温光纤F-P传感器，属于光纤传感领域。与现有光纤F-P传感器相比，蓝宝石光纤F-P 传感器在温度测量范围中将大大优于普通光纤。
为达到上述所列目的，本发明采用的技术方案为：
发明中所使用的飞秒激光为coherent公司生产,中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs，重频为1000hz。蓝宝石光纤F-P传感器1结构示意图如图1所示。
首先，根据所需要的长度截取蓝宝石光纤，将单晶光纤依次放入36％的浓盐酸，丙酮以及酒精中各清洗十分钟，清洗过后干燥10分钟，并且进行化学机械抛光，其中抛光法中的抛头在一定压力下与抛光垫、抛光液接触接触，与抛光垫同向转动，本实验中抛光头与抛光垫转速为 70r/min，抛光压力抛光液采用二氧化硅抛光液，抛光液流速为90ml/min，抛光压力为49kpa，最终实现蓝宝石化学机械抛光，抛光过后的蓝宝石光纤进行超声波清洗。最后，清洗过后的蓝宝石光纤置于飞秒激光刻制台上。
然后，将飞秒激光聚焦纤芯顶部，调高飞秒激光功率，垂直于光纤，沿着光纤垂直方向向下刻写，刻完一道线后，打开遮光器件，同时移动激光聚焦区域置于第二条线的顶部，再打开遮光器并且重复上述步骤。刻制出如图1所示的第一个反射镜2，再移动500个um重复上述步骤刻制出第二个反射镜2，以此构成法布里珀罗结构。
最后刻制完成后，使用超声清洗蓝宝石光纤。并且对刻制好微结构的蓝宝石光纤进行包层涂敷，使用Al2O3多晶氧化铝溶液在80℃下进行涂敷，浸泡1小时后，将蓝宝石光纤抽出进行烧结，烧结温度控制在500 摄氏度左右。膜层折射率在烧结前为1.35，烧结后折射率为1.6左右，满足光纤全反射光信号传输条件。
蓝宝石光纤光栅高温测量***如图2所示，蓝宝石光纤F-P传感器1 置于高温炉6中，并且通过环形器5与宽带光源3与光谱仪4相连接，光谱仪4分析设备采用了Yokogawa公司生产的光纤传感分析仪，并本实验中对传感器反射谱进行测量。宽带光源3将光输送到蓝宝石光纤F-P 端，F-P端将特定波长的光反射回，并送进光谱仪4进行分析。测定的反射光谱图如图3所示，温度标定从100-1500度，测得其对应的波长如图 4所示。
在100～1500℃温度范围内，给传感器持续温度，每间隔100℃记录波长，绘制波长-温度关系曲线，如图4所示，表明该传感器在测量温度时具有良好的线性度。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (6)
1.一种利用飞秒激光制备的蓝宝石F-P光纤温度传感器方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a、将蓝宝石光纤依次放入36％的浓盐酸、丙酮以及酒精中各清洗10分钟，清洗过后干燥10分钟，对干燥后的所述蓝宝石光纤进行化学机械抛光；
步骤b、对抛光后的所述蓝宝石光纤进行超声波清洗，将清洗过后的所述蓝宝石光纤放置在飞秒激光刻制台上；
步骤c、将所述蓝宝石光纤垂直所述飞秒激光刻制台，打开飞秒激光，将所述飞秒激光聚焦在纤芯顶部，调高所述飞秒激光功率，沿着所述蓝宝石光纤垂直方向向下刻写，刻制出第一个反射镜；
步骤d、将所述飞秒激光移动500um刻制出第二个反射镜，形成法布里珀罗结构；
步骤e、将刻制完成后的所述蓝宝石光纤用超声波清洗，并对刻制好的所述蓝宝石光纤进行包层涂覆；
步骤f、对涂覆后的所述蓝宝石光纤进行烧结，烧结后的得到蓝宝石F-P光纤，所述蓝宝石F-P光纤折射率为1.6。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中所述蓝宝石光纤进行化学机械抛光作业时，抛光头与抛光垫转速为70r/min，抛光压力抛光液采用二氧化硅抛光液，抛光液流速为90ml/min，抛光压力为49kpa。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e中所述蓝宝石光纤进行包层涂覆作业时，使用Al2O3多晶氧化铝溶液在80℃下进行涂敷，涂覆时间为1小时。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤f中所述蓝宝石光纤进行烧结作业时，烧结温度为500摄氏度。
5.一种蓝宝石F-P光纤传感器高温测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
步骤①、将蓝宝石F-P光纤传感器放置在高温炉内，环形器三个接口依次连接宽带光源、光谱仪和所述蓝宝石F-P光纤传感器；
步骤②、进行测量时，调节所述高温炉的温度，所述宽带光源将光通过所述环形器输送到所述蓝宝石F-P光纤传感器的F-P端，所述F-P端将特定波长的光通过所述环形器反射到所述光谱仪，所述光谱仪进行分析。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在100～1500℃温度范围内，所述蓝宝石F-P光纤传感器具有良好的线性度。
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