（光学工程专业论文）光纤动态应变传感技术研究.pdf

摘要 摘要 自光纤传感器问世以来，由于其具有高可靠性、抗腐蚀、不受电磁干扰、复 用能力强、传输损耗低、传输距离长等传统电式传感器无法比拟的优点而备受关 注，成为近几十年发展最快的传感器技术之一。相对于其它光纤传感器而言，光 纤珐珀传感器在体积、分辨率、精度、动态范围以及实现方式等方面优势明显， 是发展最为成熟、应用最为广泛的光纤传感器之一，在传感领域显示了良好的应 用前景。随着研究的深入，人们对光纤珐珀传感器件的微型化、轻量化、耐高温 能力、易燃易爆等恶劣环境下可靠性等方面提出了新的迫切要求。光纤珐珀传感 器的微型化成为光纤传感领域的国际前沿研究热点之一。 本课题是国家自然科学重点基金项目( 批准号：6 0 5 3 7 0 4 0 ) “新一代微纳光纤传 感器基础研究”的一部分。导师饶云江教授及其团队于2 0 0 6 年在国际上首次提出 了一种封闭型微光纤珐珀传感器结构并成功地利用1 5 7 n m 准分子激光器在光纤上 实现了该传感器。本课题就是以这种封闭型微光纤珐珀传感器为基础，对它的应 变基础特性进行实验研究并探索其应用。主要工作和成果如下： i 概述了1 5 7 n m 准分子激光微加工技术和基于该技术制作的封闭型微光纤珐 珀传感器。研究了反射率对光纤珐珀传感器的反射信号强度以及干涉条纹对比度 的影响。提出了结合镀膜和1 5 7 n m 准分子激光微加工技术的封闭型光纤珐珀传感 器制作方法，经实验验证，基于此方法制作的传感器具有反射功率高、对比度强 等优点。 i i 研究了该封闭型微光纤法珀传感器在常温下的应变特性以及温度特性。研 究结果表明，这种新结构的微光纡珐珀传感器具有良好的线性应变传感特性( 线 性系数达0 9 9 9 2 ) 和温度不敏感性( 灵敏度为0 0 0 1 n m c ) ，可望用于制作常规 应变传感器，应用于健康监测领域。 l l i 研究了实时应变传感器系统的实现方法，设计了一套光源，采用双光路 干涉强度自补偿方法，实现了微光纤珐珀传感器应变信号的解调。 关键词：光纤传感器；法布里珀罗干涉仪；准分子激光器；应变 a b s t r a c t a b s t r a c t e v e rs i n c et h ea p p r e a n c eo ff i b e rs e n s o r , i th a sb e c o m eaf a s t e s td e v e l o p i n gi n d u s t r y o ff i b e rp a s s i v ed e v i c ea n da r o u s e dr e s e a r c h e r s w i d ec o n c e r nd u et oi t sh i 曲r e a l i b i l i t y , i m m u n i t yt oe l e c t r o m a o g i l e t i ci n t e r f e r e n c e ，c a p a c i t yo fm u l t i p l e x i n g ，l o wa t t e n u a t i o na n d l o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n a m o n gv a r i o u sf i b e rs e n s o r s ，f i b e rf a b r y p e r o ti f - e ) i n t e r f e r o m e t e ri so n eo ft h em o s tm a t u r ef i b e rs e n s o r s , w i d e l yu s e di nal a r g en u m b e ro f a p p l i c a t i o n s ，a n di t w i l lh a v eaw o n d e r f u lp r o s p e c ti ns e n s i n gf i e l d a ss i g n i f i c a n t e f f o r t sb e e ne x e r t e dt of a b r i c a t es m a l l ，l i g h t ，a n dh i 曲一t e m p e r a t u r e r e s i s t a n ts e n s o r sa n d s e n s o r sw h i c hc o u l dw o r ki nf l a m m a b l ee n v i r o n m e n t ，t h em i c r o s t r u c t u r es e n s o rh a s b e c o m eo n eo ft h eh o tr e s e a r c hs p o t s an o v e ls e l f - c l o s e dm i c r o - f i b e rf - ps e n s o rw a sp r o p o s e db yo u rp r o j e c tt e a mu n d e r t h eg u i d a n c eo fp r o y u n j i a n gr a oi n2 0 0 6 ，a n dw a ss u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db ya15 7 r i m e x c i m e rl a s e ro nt h ee n df a c eo ff i b e r t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h es e l f - c l o s e df i b e r f ps e n s o r , i t sb a s i cs t r a i np r o p e r t yw a ss t u d i e da n di t sa p p l i c a t i o n sw e r ee x p l o r e d t h e m a i nw o r ka n da c c o m p l i s h m e n t sw e r ea sf o l l o w s 1 t h e15 7 n me x c i m e rl a s e rm i c r o - m a c h i n i n gt e c h n i q u ea n dt h ep r o c e s so ff a b r i c a t i n g s e l f - c l o s e dm i c r o f i b e rf ps e n s o rw e r ed e s c r i b e d c o m p u t e rs i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a t t h es i g n a lq u a l i t yc o u l db ei m p r o v e db yi n c r e a s i n gt h er e f l e c t i v i t yo ff i b e re n d si nt h e f - pc a v i t y t h i st h e s i sp r e s e n t sas e l f - e n c l o s e dm i c r oe x t r i n s i cf i b e r - o p t i cf a b r y p & o t i n t e r f e r o m e t r i c ( m e f p i ) s e n s o r , f a b r i c a t e db yl a s e rm i c r o - m a c h i n i n gah o l eo nt h ee n d s u r f a c eo fas i n g l e - m o d ep u r es i l i c af i b e ra n dt h e nc o a t e db yac rf i l ma n df i n a l l y s p l i c e dt oa n o t h e rc o a t e df i b e rb yu s i n gaf u s i o ns p l i c i n gm a c h i n e t h i st y p eo fs e n s o r h a st h ea d v a n t a g e so fh i 曲r e f l e c t i v es i g n a l l e v e l ，g o o dv i s i b i l i t y , i n s e n s i t i v et o t e m p e r a t u r ec h a n g e ，e ta 1 a n di sq u i t es u i t a b l et op r e c i s es t r a i nm e a s u r e m e n t 2 t h eb a s i cs t r a i np r o p e r t yo ft h i ss e n s o ri nt h er a n g eo fo r m 一5 5 01 a e u n d e rr o o m t e m p e r a t u r e ，a n dt e m p e r a t u r ep r o p e r t yi nt h er a n g eo f 一2 0 c - 110 cw e r es t u d i e d t h e e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e dt h en o v e ls t r u e t u r ef i b e rf - ps e n s o re m p l o y e dg o o ds t r a i n l i n e a rr e s p o n s e ( 1 i n e a r i t yo f0 9 9 9 2 ) a n di n s e n s i t i v i t yt ot e m p e r a t u r e ( s e n s i t i v i t yo f 13 8 p m c ) i tc o u l db eu s e da sar e g u l a rs t r a i ns e n s o r , a p p l i e di nh e a l t h ym o n i t o r i n go f a b s t r a c t l a r g eb u i l d i n g ss u c ha sh i g hw a y , b r i d g ea n dd a m 3 d e m o d u l a t i o ns y s t e mf o rd y n a m i cs t r a i ns i g n a lw a ss t u d i e d ，b y u s i n gt h e s e l f - c a l i b r a t e di n t e r f e r o m e t r i e i n t e n s i t y b a s e d m e t h o d ( s c n b ) t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e ds e l f - c a l i b r a t i o nd u a lc h a n n e li n t e n s i t yd e m o d u l a t i o ns y s t e mc o u l db e j u s e dt od e v e l o ps i m p l e ，l o wc o s t ，m i n i a t u r e ，r e l i a b l ea n ds e n s i t i v ed e t e c t i n gs y s t e m s k e y w o r d s ：f i b e rs e n s o r ；f a b r y - p e r o t ；e x c i m e rl a s e r ；s t r a i n 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：越鱼日期：易一砗蠹月。7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：笤笪丝：导师签名：竺垦垒 日期：妒罗年厂月立7e l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 结构健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称s h m ) 是指利用无损传感 技术，通过结构响应等结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的i l j 。对 保障工程结构的安全应变的测量具有重要的意义1 2 吲。结构健康监测系统选用的传 感器主要有传统的电式传感器和新兴的光纤传感器1 4 j ，光纤传感器具有抗干扰能力 强、灵敏度高、质量轻等优势。 在众多的光纤传感器中，f p 光纤传感器是各种传感器中很重要的一个分支， 其可靠性好、动态响应宽、测试精度高、结构灵巧、安装简便、制作工艺较简单、 价格低廉，很容易形成各种类型的传感器，在结构健康监测等许多领域具有重要 的研究价值和广阔的应用前景。光纤传感器在测量过程中两个很重要的结构参数 就是温度和应变，对传感器的温度和应变特性的研究尤为重要。 1 2 应变传感器分类 结构健康监测系统选用的传感器主要有电式传感器和光纤传感器【5 ，6 l 1 2 1 电式传感器 电式应变传感器利用金属的电阻应变效应将测量物体变形转换为电阻变化 7 1 。 被测量应变电阻变化输出电压 图1 1 应变式传感器工作原理框图 其基本原理如图1 1 所示。传统电传感器由弹性元件和电阻应变片组成，将电 阻应变片安装在弹性敏感元件上，外界参量作用到传感器上时会导致其表面发生 变形，致使其上的电阻应变片也随之发生电阻变化。这种传感器的核心部分是电 阻应变片，其基本结构如图1 2 所示。 电子科技大学硕士学位论文 电阻丝敏感栅绝缘基底接引线 图1 - 2 电阻应变片基本结构 由于电传感器及测量仪器本身固有的缺点【8 】：存在非线性输出，且会漂移；信噪比 低，易受电磁干扰：监测精度易受电绝缘性能的影响等，其稳定性和耐久性都不 能满足长期健康监测的要求，因此电阻应变片多用于特定的部位检测，通常只是 对结构安全作一次性评价及短期应变测量中，不能进行长期的应力、应变监测。 1 2 2 光纤传感器 光纤应变传感器具有尺寸小、重量轻、电绝缘性好、抗电磁干扰、耐高压、 耐腐蚀、安全可靠等优点【9 - l o 】。光纤应变传感器有光纤珐珀传感器、光纤光栅传感 器和布里渊背向散射分布式光纤传感器【l o 1 。其中，光纤光栅传感器的制作成本 的降低其使用也越来越多，但一直都有温度和应变交叉敏感的问题；而布里渊背 向散射分布式光纤传感器由于布里渊背向散射光很弱，因此探测设备十分复杂， 且不能应用于动态应变监测。光纤珐珀传感器是目前国内外研究最多的光纤应变 传感器之一 1 2 , 1 3 】。 1 2 2 1 光纤法珀应变传感器 光纤珐珀( f a b r y - p 6 r o t ：f p ) 传感器是基于光学f p 干涉结构，当被测体变化 作用在珐珀腔上时，导致干涉条纹发生变化。通过相位解调或者强度解调方法， 能从条纹相位变化和输出反射光强度变化中解调出被测点的变化实现传感。光纤 f p 应变传感器是一种广泛应用于结构健康监测中的一类传感器，具有精度高、测 量范围广的优点。其原理和应用将在下一章详细阐述。 1 2 2 2 光纤布拉格光棚应变传感器 光纤布拉格光栅是( f i b e rb r a g gg r a t i n g ：f b g ) 禾) j 用掺杂光纤的紫外光敏特性， 用空间周期性分布的强紫外激光照射掺杂光纤，从而使掺杂光纤纤芯折射率沿轴 向并呈周期性分布，得到一种芯内位相光栅，称为f b g l l 4 , 1 5 】。当多波长光束入射 到f b g 上时，只有某一个特定波长的光会被f b g 反射并沿原路返回，其余波长的 2 第一章绪论 光都无损失地穿过f b g 继续往前传输，如图1 3 所示。被f b g 反射的那一个波长 称为布拉格波长厶，它由f b g 的栅距人及有效折射率万决定。 如五 砧= 2 刀人 兄2 ( 1 1 ) 如九 图i - 3f b g 传感器示意图 结构的应变或温度变化会改变有效折射率万和栅距人，进而引起f b g 的布拉 格波长变化，因此可以通过监测f b g 的反射波长实现结构的应变与温度监测。 8 3 0 n m 波长附近的f b g 应变灵敏度典型值为0 6 4 p r o p c ( 胪：微应变) ，1 3 0 0 n m 和1 5 5 0 n m 波长附近则分别为1 p m l i e 和1 2 p r o z c l l 。 虽然f b g 能够对应变和温度做出响应，但它具有温度和应变共同影响的问题。 比较有效的解决办法是用一只参考光栅【1 7 】或两个不同波长的f b g 阁。 f b g 传感器为波长解调，它具有以下优点：( 1 ) 测量信号不受光源波动、线 路损耗和设备老化等因素的影响；( 2 ) 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不 精确及需要参考点的问题；( 3 ) 可将多个不同波长的f b g 串联在一起u g ) 0 ，每个 f b g 只反射它自己布拉格波长的光波，彼此之间互不影响，因此可以方便地用一 个波长检测系统同时检测所有光栅反射波长的变化，实现光纤光栅多传感器复用 的准分布测量。 1 2 2 3 长周期光纤光栅应变传感器 长周期光纤光栅( l o n gp e d o df i b e rg r a t i n g ：l p f g ) 是一神通过一定方法使光 纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的光栅，如图1 - 4 所示。周期性的折射 率调制使得光纤中的各种模式发生耦合。l p f g 的模式耦合主要是指同向传输的纤 芯导模和包层模之问的耦合。l p f g 把芯区传输的导模能量耦合到包层模中，从而 造成与特定波长有关的传输损耗，可作为一种很好的带阻滤波器。l p f g 的特性与 其写入机理有关，不同方法写入的长周期光栅将可能具有独特的特性。实验结果 表明使用高频c 0 2 激光脉冲在单模光纤中写入的长周期光纤光栅具有与紫外光等 其他写入方法不同的特性【2 1 捌】。 3 一 名一 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 4l p f g 示意图及其折射率分布 1 3 本论文主要研究内容及其意义 作为光纤传感器中十分重要的成员之一，光纤珐珀传感器具有结构简单、灵 敏度高、长期稳定性好、与光纤兼容等优点，也是现代光纤传感领域中的研究和 应用热点之一。虽然光纤珐珀应变传感器己取得一些成就，但在实际应用中仍存 在以下几个问题： 传统的制作工艺工序很难精确的控制珐珀腔的腔长、端面角度等参数，其 工艺重复性差，无法批量重复生产。且在使用前需对传感器进行标定；另外受封 装导管影响其体积相对较大( 一般在m m 、e m 量级) 。为满足珐珀传感器小型化、 高度集成化的要求，探索更紧凑、更可靠的微纳结构的f p 传感器势在必行； 无论传统的制作方法亦或是新兴的腐蚀、激光微加工方法制作的光纤珐珀 传感器都存在着反射信号强度弱、一般对比度不高的问题，如何有效提高传感器 的传感信号强度和对比度以满足长距离精确监测的要求亟待解决； 在目前各种大型建筑结构、工业及航空航天领域里的结构健康监测的迫切 实际需求下，光纤珐珀传感器从实验研究到实用化经历了长足的发展，但目前国 内大部分研究仍局限于传感器和解调方法的研究上，而结构健康监测系统的研究 应用仍处于起步阶段。 本课题是国家自然科学重点基金项目( 批准号：6 0 5 3 7 0 4 0 ) “新一代微纳光纤传 感器基础研究”的一部分。在该项目的支持下，本文以微纳光纤珐珀传感器结构 和加工方法的改进以及微纳光纤珐珀传感器的基础传感特性为研究对象，是该项 目的一个有机组成部分，为开展关于新一代微纳光纤传感器更深入的理论研究奠 定坚实的实验基础，具有重要的学术价值。另一方面，通过研究可以发现封闭型 微光纤珐珀传感器的优良特性，根据这些特性，为将来设计出能满足各种不同应 4 第一章绪论 用要求的新型光纤传感器件提供依据，具有十分广阔的应用价值。为未来结构健 康监测领域的实用产业化奠定基础。 本文具体的研究内容如下： 理论分析了反射率对光纤珐珀传感器的反射信号强度和对比度的影响，并 根据分析结果提出了在实验室已有成果15 7 n m 准分子激光微加工技术制作微光 纤珐珀传感器的基础上的进一步改进方案。 结合15 7 n m 准分子激光微加工技术和镀膜技术在普通通信用光纤( 康宁 s m 一2 8 ) 及纯石英光纤上制作出封闭型非本征微光纤珐珀传感器( m i c r oe f p i ： m e f p i ) ，该加工技术有助于研制出具有更高反射信号强度及对比度的光纤应变传 感器，以满足长距离精确传感监测。并对这种封闭型m e f p i 的应变、温度等特性 进行了实验研究和定性分析。有助于实现光学性能更好的微光纤珐珀应变传感器。 解决了发动机或其他旋转结构上的光纤传感信号的传输问题，为今后的工 业及航空航天领域中结构健康监测的光传感信号传输问题奠定了实用化基础。 设计实现了一套光纤动态应变传感系统。该系统采用双光路干涉强度自补 偿法，通过自行搭建的系统光源、传感器、探测器、采集卡以及相应软件实现静 态及动态应变信号的采集解调。对光纤应变监测系统实用化具有实用价值。 利用设计的应变传感系统进行了微光纤珐珀传感器静态应变实验和旋转叶 片的动态应变实验以及光纤布拉格光栅应变实验，并编写相应软件。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章光纤法布里一珀罗应变传感器的基本原理 2 1 光纤f p 传感器的基本原理 光纤f p 传感器是由如图2 1 所示的光学珐珀干涉仪发展而来的，它是由两块 端面镀以高反射膜、相互严格平行且间距为三的光学平行平板组成的光学谐振腔 ( 简称f p 腔) 。相干光束射入f p 腔时，大部分光能在f p 腔中来回多次反射形 成光学谐振。若两个镜面的反射率皆为r ，入射光波长与光强分别为旯和i 。，根 据多光束干涉的啄理，光学f - p 腔的反射输出光强厶和透射输出光强，r 分别为【2 5 1 。 高反膜 图2 - 1 光学f p 干涉仪原理示意图 和嵩嘿，。 协- ， = 而厶 ( 2 - 2 ) 式中为光学相位， ：挈- n o 三 ( 2 3 ) 式中刀。是腔内物质的折射率，当腔内物质为空气时，n o 1 。若将两块平行平 板变为两根光纤时，图2 1 所示的光学f p 腔就成为了光纤f p 传感器。 6 第二章光纤法布里珀罗应变传感器的基本原理 表2 1 双光束与多光束干涉条件 尺 r 0 ( 3 一n ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 00 2 0 40 60 8 r e f l e c t i v i t yr 2 图3 - 4 对比度与反射光纤端面反射率坞的关系曲线 从图中可以看出提高反射光纤的反射率可以提高信号的对比度，但是却不能 无限制的提高，令墨为常数，且对式( 3 1 3 ) 求导，且另a v a & = 0 ，可以得出当 局= 恐矽时，= 1 。对不同的耦合效率有不同的反射率最佳值。 3 2 光纤珐珀传感器的制作方法 目前应用于微光纤珐珀传感器的制作方法主要有三种：传统手工制作方法【3 9 1 、 激光加工技术以及利用氢氟酸腐蚀光纤的方法。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 3 2 1 传统切割拼接方法 a d h e s i v e 么疆多孝蹶缀黪锄戮麓嬲镌蓼燃勘薯臻瘸荔怨童淞 i - 一 i l e a d - i nf i b e r 二纠 ，ir e f l e c t i n gf i b e r ill 飞藏躲；黪糍懿漱糍黝袭蠡黼缀甚0 、? 鬟藏；粼矿 h o l l o wg l a s st u b e h i 曲r e f l e c t i n gc o a t i n g 图3 - 5 传统方法制作的光纤f p 传感器结构图 图3 5 为传统方法制作的珐珀传感器的结构示意图。传感器由导入光纤、反射 光纤以及石英套管组成。通过此方法制作出的e f p i 传感器在结构设计和制作过程 中仍存在许多不足，在制作过程中常常出现如下问题： ( 1 ) 将切过的光纤套入套管中时，容易损伤光纤端面。 ( 2 ) 不易密封，进入的粉尘和其它污染物会影响传感信号质量。 ( 3 ) 套入的两根光纤容易不同轴，引起两光纤间的横向错位、轴线夹角以及 非线性响应。 ( 4 ) 采用胶封技术，容易老化从而导致传感器性能下降甚至实效。 人工手动操作决定了不可能制作出具有相同角度或精确长度的空气腔，其生 产重复性差。每一个制作出来的传感器在使用之前必须经过校准过程，且校准过 程非常耗时费力。 3 2 2 利用氢氟酸腐蚀光纤的方法 普通光纤包层是纯s 0 2 ，纤芯掺少量g e 0 2 以增加折射率，用氢氟酸( h f ) 腐 蚀光纤时，纤芯腐蚀速率大于包层 4 0 , 4 1 j ，因此能在纤芯出形成空腔。基于这个原 理，将一端腐蚀有空腔的光纤与另一端平整切面光纤熔接后可形成光纤珐珀传感 器。对普通单模光纤而言，当包层腐蚀到9 6 t m 时，腔长才1 岬，腔长过短；而多 模光纤腐蚀形成的凹槽直径较大，厚度较薄，因此制作的传感器较单模光纤腐蚀 制作而成的传感器脆弱。掺铒光纤具有掺杂浓度较高，重掺杂部分腐蚀的速率更 快，可以获得较长的腔长并且掺铒光纤掺杂区域直径适中。 该方法具有操作简单，一次成型，具有较高的加工效率和较低的制作成本。由于 珐珀腔的长度主要取决于腐蚀溶液的浓度以及腐蚀加工的时间，因此无法精确控 制传感器腔长；另外由于光纤腐蚀后包层直径也会随之变小，再经过熔接工序形 1 8 第三章封闭型微光纤珐珀传感器制作方法及基础特性研究 成珐珀传感器后，传感器的应变范围也会因光纤可熔接直径的变小而缩小。 3 2 3 激光微加工技术 3 2 3 1 飞秒激光加工技术 飞秒激光是种虬脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，通常只有几个或 几十个飞秒( 1 飞秒= 1 0 - ”秒) 。飞秒激光与各种材料相互作用的机理各不相同， 其机理目前尚未形成统一的结论吲。飞秒激光凭借其特点广茬应用于微电子学领 域、光子器件和全光通讯领域等领域中多种材料的微细加工。 3 2 3 2 准分子激光加工技术 傲为一种m e m s 礅细加工技术准分子激光具有高分辨率、光子能量大以及对 加工材料有广泛的适应性。与飞秒激光器相比，准分子激光具有更短的输出波长， 因此具有更高的加工精度和加工质量。 准分子激光是继大功率二氧化碳激光和n d ：y a g 固体激光后，又- 二种进入工 业应用的大功率激光即】。准分子激光在与物质作用过程中会发生光热反应和光化 学反应。在准分子激光器应用初期，许多研究者将紫外准分子激光称为“冷加工 工具” 4 4 】。2 0 世纪8 0 年代，一些研究者认为应该将热效应包含在内。目口激光能量 被材料瞬时吸收，温度迅速升高到材料的气化温度，使得材料产生气化而去除材 料嘲。准分子激光刻蚀材料时，热作用将成为主要的刻蚀机理，主要包含光热和 光化学两种机制。准分子的烧蚀效应进行微加工，即准分子激光直接写入技术。 利用准分子激光在聚合物和单模光纤上制作的波导及f - p 腔结构分别如图3 - 6 、 3 - 7 所示m4 7 1 。 、 图3 6 准分子擞光加工的多横聚合物波导 电子科技大学硕士学位论文 遴 图3 - 7 准分子激光施工的微型光纤珐珀腔 3 3 基于1 5 7 r i m 准分子激光加工的封闭型微光纤f p 传感器 前面介绍的三类光纤f - p 传感器有各自的优点和缺点。非本征型光纤珐珀传 感器( e f p i ) 传感器的最大优点是较低的温度敏感性和较为方便灵活的制作工艺。 低温度敏感性得益于它的空气问隙腔和石英管对光纤热膨胀的补偿。对温度不敏 感使得e f p i 传感器对信号处理技术要求不高，其技术相对简单。而本征型光纤法 珀传感器( 1 f p l l 具有加工难度丈的缺点，此外作为谐振腔的光纤，除了纵向应力 外，还会受温度及横向应力的影响。不利于精确传感。i l f p i 从原理上讲只对轴向 应力敏感，是最理想的光纤f - p 应变传感器。但是由于玻璃管长就是f o p 腔长，只 有几十微米，且要将它与光纤熔接而不损伤光纤反射端面比较困难，因而f p 腔 的制作工艺难度较大。此外，由于传统手工熔接拼接和氢氟酸腐蚀光纤的方法分 别具有操作困难、重复性差以及无法满足高精度微加工的需求，而且制作的光纤 珐珀传感器一般都具有较低的反射信号强度。为了克服上述问题，我们提出了一 种新型的基于1 5 7 r i m 准分子微加工技术和镀膜技术制作的封闭型微结构非本征光 纤珐珀传感器，利用1 5 7 a m 准分子激光微加工系统在光纤端面上加工孔洞，然后 在打孔的光纤端面和普通切割平整光纤端面镀膜，镀膜材料选择金属铬( c r ) 并 利用光纤熔接机进行封闭。下面的章节将详细介绍该传感器的设计、制作及传感 特性。 3 3 1 准分子激光加工系统 1 5 7 r m a 激光三维微细加工技术是一项集超快激光技术、显徽镜技术、高精度 第三章封闭型微光纤珐珀传感器制作方法及基础特性研究 维移动技术和计算机控制技术于一体的新型三维加工技术，激光微加工系统如 幽3 - 8 所示。 圈缚吓。 慝 l = j e t 0 e 图38 准分子激光微加工系统框图 加工装置由激光模块，光学模块，观测控制模块和微动台组成。1 5 7 r i m 激光 光源l p f 一2 0 2 由c o h e r e n t 公司生产，具有高光子和脉冲能量及几乎适合所有材料 的高吸收系数，因此非常适合用于高质量的微加工。激光的最大单脉冲能量，脉 冲宽度和最大脉冲重复率分别为3 5 m j ，1 5 m 和5 0 h z 。 3 3 _ 2 传感器设计制作 传感头是系统中的传感元件，是整个光纤传感系统的核心，它的性能的优劣 很大程度上决定了整个传感系统的性能，因此传感头的设计和制作尤为重要。在 3 2 节，我们阐述了现有e f p i 传感器制作过程中存在的种种问题，基于此，我们 提出了一种封闭型微光纤结构的f - p 传感器，克服了上述问题，其结构如下图3 - 9 所示。 电子科技大学硕士学位论文 a i rc a v i t y ( a ) c rc o a t i n g 目目 l r l i l ( b ) ( c ) 图3 - 9 传感器制作过程 。 首先采用1 5 7 n m 准分子激光微加工系统( c o h e r e n t ，l p f 2 0 2 ) 在纯石英光纤 ( n u f e m 公司的s 1 5 5 0 h t a ) 端面中心加工一深度为2 0 9 m 的圆柱形小孔，如图 3 9 ( a ) 。预留5 0 m m 长度的尾纤使得传感器可以方便地接入光纤传感系统。将靠 近端面的一截涂敷层去掉，用切割刀切割光纤端面。将切割好的端面用光纤夹具 固定在三维精密移动台上。通过成像系统确认准分子激光是否已经聚焦到待加工 区域光纤的端面上。最后，对光束焦斑位置进行微调，使光束定位在光纤端面的 中心。设置光束的能量密度为3 2 m j c m 2 ，重复频率为5 h z 。光纤吸收大能量、高 功率的1 5 7 n m 紫外光，表面迅速汽化引起材料的消融，9 0 个脉冲作用后在光纤端 面形成了深度约为3 0 u r n 的圆形孔槽； 然后利用真空镀膜的方法在打孔的石英光纤端面和切割打磨后的石英光纤端 面上镀上约0 3 u m 厚的金属铬( c r ) 薄膜，达到最大反射率，约为5 0 ，如图3 9 ( b ) 所示；。 将镀膜后的打孔光纤与另一根镀膜后切割端面完好的光纤用熔接机( s 1 8 2 a ， f i t e l ，j a p a n ) 对接起来。在进行熔接操作时，由于光纤端面上圆形孔槽和金属膜层 的存在，其强度较之端面完整的光纤要小，如果采用熔接机默认的自动熔接模式， 加工的金属镀膜端面不能承受电极放电强度，因此需要修改熔接机参数并改为手 动操作，否则容易出现熔接的圆形孔槽变形并破坏金属反射膜的情况。经过反复 第三章封闭型微光纤珐珀传感器制作方法及基础特性研究 圜i i i t 翮 篷襄麓f 。 。j l 象慧蓦- 砖。绸 藿漤浚主溷螯豢? 攀一溺 葶 嘿 电子科技大学硕士学位论文 3 4 封闭型微光纤f p 传感器的基础传感特性 制作完成的微珐一珀腔外径9 0 r t m ，腔长约为2 0 t r n ，内表面平均粗糙度2 6 0n m 。 用美国m o i 公司的s i 7 2 0 测得其干涉条纹如图3 1 2 、图3 1 3 所示，干涉条纹光滑， 反射功率最高可达1 0 d b m ( 除去3 d b 耦合器损耗) ，对比度最高可达2 8 d b - w a v e l e n g t h 入n m 图3 1 2 制作的光纤法布里珀罗腔反射谱 图3 1 3 镀膜与非镀膜制作的光纤珐珀腔反射谱比较 由图3 1 3 可以看出，镀膜后由于反射率的提高，制作出的光纤珐珀传感器的 对比度及反射功率都有很大的提高。 2 4 第三章封闭型微光纤珐珀传感器制作方法及基础特性研究 在f p 腔的制作过程中，反射端面质量的优劣尤为重要。根据光学f - p 干涉仪 原理可知，作为反射面的端面，其质量直接影响传感器干涉信号的质量，进而影 响光纤传感器性能。端面越平整、无毛刺且无倾斜角度产生的干涉效果越好，反 之亦然。通过光纤熔接机可以检验切割端面质量的好坏。 光纤传感器的温度特性和应变特性是两个十分重要的基础特性。封闭型微光 纤f p 传感器作为一种新结构传感器，有必要对其特性进行深入的研究，以分析 它在实际应用中的价值和意义。为了获得准确的应变、温度实验数据，本章首先 对原有理论进行了推导和修正使之适用于封闭型结构的微光纤f p 腔，然后采用 该腔进行常温下的应变和温度实验。 3 4 1 应变特性 基于准分子激光技术加工制作的封闭型微光纤f p 传感器，属于直接在光纤 端面烧蚀出孔槽，并经过c r 镀膜后与另一根镀膜光纤端面对接而成，这种结构与 传统的光纤珐珀腔不同。为了研究其应变特性，在实验室条件下，对封闭型微光 纤f p 传感器进行应变测量实验，探索其应变特性。 由于制作的封闭型微光纤f p 传感器的腔长很短，在1 5 2 0 - - - 1 5 7 0 n m 波段范围 内的只有大于一个周期的干涉条纹，而且在实验过程中腔长变化量很小，因此用 快速傅里叶变换( f f l ) 和离散腔长变换( d g t ) 法解调的精度都较低【4 9 , 5 0 】，故而采用 波长解调法，通过监测干涉条纹某一波峰或波谷的漂移量来间接表征应变的变化。 由法布里一珀罗腔的干涉理论可知【5 0 , 5 1 】，设微型光纤珐珀传感器初始腔长为工， 干涉谱对应的一个波峰或波谷的波长为a 。施加应力后，传感器腔长变为三+ 么厶同 一波谷所对应的波长变为a 屯瓠，则 _ 4 ；_ , r n l ：2 肌万，2 ：0 ，l ，2 ，( 3 - 1 4 )= ，z 万，聍= 1 一 ) 4 r c 了n ( l + 了a l ) ：( 2 珊+ 1 ) 石，研：0 ，1 ，2 ， ( 3 1 5 ) 。 十q l 化简后得到 越名 一2 丁 (316)l兄 k j 再设传感器两端固定点之间所受应力与微型光纤珐珀传感器受应力所产生的 应变成比例，并设该比例系数为k ，则微型光纤珐一珀传感器的应变可表示为 电子科技大学硕士学位论文 s ：七丝：j j 掣( 3 - 1 7 ) l 允 7 比例系数为k 是应变放大因子，因为加工后的封闭型微光纤f p 传感器的有效 截面面积较完整的光纤小。进行应变实验时，由于光纤珐一珀腔的特殊构造会在传 感器产生应力集中，根据微动台的移动数据换算成应变的方法不能精确反应传感 器的真实应变，应以光纤珐珀传感器的腔长变化为准。公式( 3 1 7 ) 中的工和缸为 腔长的初始长度和应变后变化长度。初始长度可以由三= 五五 ( 2 1 4 一暑| ) 】来算出。 这里丑，乃是光纤珐珀腔干涉谱相邻波峰波谷对应的波长1 ) 川。由( 3 1 6 ) 式可得 址：竺三。 五 当应变施加于光纤时，引起f p 腔腔长变化，光谱上表现为干涉条纹的移动。 本实验中，由于干涉条纹的移动非常小，相位变化远小于2 n ，故可以某一波峰为 基准点，认为移动后的波峰与初始波峰是同一级条纹。 封闭型微光纤f p 传感器应变测量系统的实验装置如图3 1 4 所示。光源和接 收设备为高精度光谱分析仪s i 7 2 0 ( m o iu s a ) ，其测量范围为1 5 1 0 n m 1 5 9 0 n m ，波 长分辨率为0 2 5 p m ，精度为l p m 。s i 7 2 0 中的激光扫描光源发出的宽带光通过环形 器进入封闭型微光纤f p 传感器，封闭型微光纤f p 传感器的两端尾纤分别用胶固 定在两个微动台上，两固定点之间的距离d 为0 3 6 3 m 。宽带光源经封闭型微光纤 f p 传感器反射后由耦合器进入光谱分析仪，计算机采集光谱数据进行解调处理。 在实验开始之前，需要给封闭型微光纤f p 传感器施加一个预应力使其处于绷直 状态，以防止两个固定点之间光纤松弛造成封闭型微光纤f p 传感器腔体结构的 变化，导致解调结果的误差。实验过程中，控制微动台使其以微动台以5 u r n 的步 长均匀地拉伸封闭型微光纤f 。p 传感器，每变化a d ，记录一组光谱数据，一直到 2 0 0 u m 。 图3 1 4 应变系统实验结构图 本实验中采用的封闭型微光纤f p 传感器参数如下：腔长l = 2 0 u m ；制作材料： 纯石英光纤( n u f e m 公司的s 1 5 5 0 h t a ) 。封闭型微光纤f - p 传感器的反射谱如图 2 6 第三章封闭型微光纤珐珀传感器制作方法及基础特性研究 3 - 1 3 所示，干涉条纹光滑，反射功率高。实验结果如图3 1 5 所示，在0 - - 2 0 0 1 m a ( 约5 5 0 雌) 的范围里，腔长增加了6 3 6 6 7 n m ，灵敏度达1 1 6 1 p r n t t e ，线性度为0 9 9 9 2 量 奄 悬 暑 g 警 卫 g 童 o 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 3 4 2 温度特性 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 s t m h g g 图3 1 5 封闭型微光纤f - p 传感器的应变特性 测试封闭型微光纤f p 传感器温度特性的实验装置示如图3 1 6 所示。用恒温 试验箱( w d 7 0 0 5 ，温度测试范围为7 0 0 c 1 3 0 0 c ，精度为0 1o c ) 对封闭型微光 纤珐珀传感器进行温度实验。光源和观测设备用s i 7 2 0 。 s i 7 2 0o s a 图3 1 6 温度实验系统 本实验采用了与应变实验中相同参数的封闭型微光纤珐珀传感器传感器。控 制低温箱，使其温度从_ 2 0 。c 开始上升，每升高1 0 。c 并稳定大约一小时后采集一 2 7 电子科技大学硕士学位论文 次光谱数据，直到温度上升到1 1 0 。c 完成升温特性的测试。在处理数据时，我们监 测的仍然是封闭型微光纤f - p 传感器传感器干涉腔长的变化量与温度变化的关系。 图3 1 7 为封闭型微光纤f - p 传感器的温度特性曲线。 星 趸1 磊 舌 暑 詈 = 暑 墨0 2 0 1 04 07 01 0 0 t e m p e r a t u r e 图3 1 7 封闭型微光纤f p 传感器温度特性 从图中可以看出，在温度从一2 0 。c 1 1 0 0 c 的变化范围内，封闭型微光纤f - p 传感器干涉腔长的变化量与温度变化呈线性关系，1 3 0 。c 范围内腔长共增加了 1 8 0 4 1 n m ，所以其温度灵敏度系数为灵敏度为1 3 8p m 。c ，温度曲线的线性度系数 可达0 9 9 8 4 。上述温度实验结果表明，这种封闭型微光纤f - p 传感器具有较低的 温度灵敏度系数，主要是因为其加工制作主要采用纯石英光纤这种，而光纤本身 的热膨胀系数就很小( 约为1 0 4 o c ) 的缘故。 3 5 本章小结 本章首先理论分析了光纤珐珀传感器中的光传输损耗以及端面反射率对传感 器输出信号的影响，其次概述了在光纤上制作f p 传感器的两种激光加工技术： 飞秒激光技术和准分子激光技术。然后，概述了本实验的准分子激光微n - r 系统、 采用纯石英光纤结合镀膜技术制作传感器的结构设计和制作过程。最后，对这种 方