1 引言

光纤压力传感器因为体积小、无源和抗电磁干扰等特点得到了广泛关注与应用。其在汽车工业、化学工业、**、医疗、航空航天和井下监测^[1]等领域都有很大的应用前景。目前已报道的光纤压力传感器有两种,分别为膜片式^[2-10]和无膜式^[11-15]。膜片式根据膜片位置的不同又分为端面式和侧壁式。端面式压力传感器的传感头处于传感器端部,传感器端面为一薄膜,薄膜与传输光纤端面之间有一空气腔,形成法布里-珀罗(FP)干涉仪。在外界压力的作用下,薄膜会发生形变,从而改变FP腔的腔长。文献[ 3]描述了一种膜片式压力传感器,当压力变化范围为0~0.1 MPa时,腔长-压力灵敏度为18.5 nm/MPa^[3]。膜片式的压力传感器,灵敏度和量程相互制约,膜片厚度越薄量程越大,但膜片的加工比较困难,膜片越薄越难制作。加工时膜片厚度不易控制,制作重复性较差。热应力以及闭合腔内的残余气压,都会对膜片的形变产生影响^[9]。侧壁式压力传感器的结构更加简单,其主要由一个空气FP腔构成,感压面在传感器FP腔的侧壁。此时传感器的侧壁就可以看作压力腔的膜片,在压力的作用下,侧壁会发生形变,从而改变FP腔的腔长。文献[ 10]描述了一种侧壁式压力传感器,在0~20 MPa范围内,腔长-压力灵敏度为21 nm/MPa,分辨率为47.6 kPa^[10]。这种类型的压力传感器灵敏度相对较低,但量程较大,制作重复性高。

无膜式压力传感器的结构也是由一个空气FP腔构成,但不是依靠传感器的形变改变腔长,而是通过气压改变引起腔内气体折射率改变,从而改变光学腔长。文献[ 11]描述了一种无膜式压力传感器,在0~1 MPa范围内,波长-压力灵敏度为4.225 nm/MPa,系统分辨率为0.1 nm^[11]。这种传感器并不依靠膜片的形变,因此量程大、重复性好,但波长-压力灵敏度以及分辨率相对较低。

无膜式压力传感器的制作方法有很多,利用飞秒激光加工是开放腔的一种有效方法。飞秒激光加工是一个非线性、非平衡过程,具有极小化热影响区、可控性高等特点,近十几年被广泛应用于微纳制造领域。相比于传统方法,飞秒激光加工具有材料适应性广、非接触、无污染、高精度、高效率等优点。在加工极微细孔方面,其优点更显著^[16]。

本文研制了一种利用飞秒激光加工的无膜式外腔法布里-珀罗干涉仪(EFPI)光纤压力传感器。该传感器通过测量腔内气体折射率的变化测量气体压力。传感器具有体积小,制作简单、量程大、测量重复性好、分辨率高和线性度高等优点。

2 传感器制作

制作无膜式光纤气体压力传感器的步骤如下:

1)熔接单模光纤(SMF)-空心光纤(HF)-无芯光纤(NCF)结构。首先,将SMF进行切割,切割后的SMF端面应尽量光滑,且切割后端面所成角度小于0.5°。用光纤熔接机将一段切割后的HF熔接在SMF经过切割的一端上,如图1(a)所示。所用HF的规格为内径93 μm、外径125 μm。然后将HF在显微镜下切割至350 μm左右,如图1(b)所示。再将端面经过切割的NCF熔接在上述处理过的HF末端,如图1(c)所示。NCF的切割要求同SMF。最后将NCF切割至5 mm左右,如图1(d)所示。

2)用飞秒激光加工熔接后的SMF-HF-NCF结构。为便于解调,需将NCF的端面进行粗糙化,去除NCF末端的端面反射,从而保证所得信号为双光束干涉。具体做法为利用飞秒激光倾斜烧蚀NCF末端,使NCF末端形成一个约20°的斜面,如图1(e)所示。由于烧蚀掉的端面粗糙且不与光纤轴向垂直,因此可以消除NCF末端的菲涅耳反射。最后,再在HF侧面加工一个小孔。用飞秒激光从侧面烧蚀HF,烧蚀掉长度为60 μm、宽度为30 μm的区域,如图1(f)所示。加工中使用Spectra-Physics公司的飞秒激光器,波长为800 nm,重复频率为1000 Hz,脉宽为35 fs。飞秒激光由物镜聚焦前,功率为0.3 mW。

图 1. 光纤压力传感器制作过程示意图

Fig. 1. Schematic of manufacturing process of fiber pressure sensor

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传感器的参数选择对传感器性能有重大影响。若HF太长,EFPI的腔长会过长,多次实验后得出,HF长度大于800 μm会导致干涉条纹图案的对比度变差,不利于信号解调。若HF太短,腔长会过小, HF小于200 μm会导致传感器灵敏度大幅下降。加工出的传感器如图2所示。图2(a)为飞秒激光加工前的图片,图2(b)为加工完通孔后的图片。

图 2. 飞秒激光加工前后的传感器的显微镜照片。 (a)加工前;(b)加工后

Fig. 2. Micrographs of sensor before and after femtosecond laser machining. (a) Before machining; (b) after machining

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图 3. 传感器加工前后HF的光谱图

Fig. 3. Spectrum of HF before and after femtosecond laser machining

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传感器加工前以及飞秒激光加工后的光谱如图3所示。NCF端面反射被有效消除,为双光束干涉,腔长为389.57 μm,干涉条纹对比度约为7 dB。传感器经飞秒激光加工后的光谱发生漂移,且对比度略有降低。出现漂移现象的原因是进行熔接操作之后,传感器的FP腔为封闭腔,且腔内空气在熔接过程中受热膨胀,熔接完成恢复常温后,腔内气体压力小于外界空气压力,导致腔内空气折射率小于外界空气折射率^[13]。经飞秒激光加工后,FP腔不再是封闭的,折射率升高,因而光学腔长变长,从而发生光谱红移。在飞秒激光加工过程中,有加工碎屑落入腔内,污染了反射端面,因而对比度略微降低。

3 实验及讨论

制作的光纤压力传感器原理如图4所示。激光经过SMF和空气的传输,在SMF/HF与HF/NCF的交界面上发生反射,两束反射光发生干涉,形成EFPI。当外界气体压力变化时,EFPI腔内的气体压力也会发生变化,折射率随之变化,导致EFPI的光学腔长发生变化。因此,通过测量EFPI的光学腔长,可以得到对应的外界压力。

EFPI的光学腔长L为

图 4. 光纤压力感器原理图

Fig. 4. Schematic of fiber pressure sensor

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L=nL0,(1)

式中:L₀为EFPI的腔长;n为腔内介质折射率。

腔内介质折射率n可表示为^[10]

n=1+2.8793×10-9×P1+0.003661×T,(2)

式中:P和T分别为压力与温度。

光学腔长L对气体压力的灵敏度可表示为

SL=dLdP=L0dndP=2.8793×10-91+0.003661×TL0。(3)

实验所用样品的腔长L₀=389.57 μm。在室温(25 ℃)下S_L=1027.6 nm/MPa。

实验系统如图5所示。将传感器放置在压力罐中,并使用分辨率为0.01 MPa的压力计校准气体压力。通过自制白光干涉解调仪检测和解调反射频谱,解调仪波长范围为1525~1570 nm。该解调仪的分辨率为1 nm。

图 5. 光纤压力感器测试系统图

Fig. 5. Test system of fiber pressure sensor

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1) 压力测试。分别测量升压与降压过程。升压过程为将压力罐内气压从0 MPa升至5 MPa,压力每上升0.5 MPa记录一次数据。降压实验过程为将压力罐内气压从5 MPa降至0 MPa,每0.5 MPa记录一次数据。测得腔长随气压的变化关系如图6所示,其中x、y和R²分别为自变量、因变量和线性度。从图6可看出,在高压环境下升压过程腔长-压力灵敏度为1019.9 nm/MPa,降压过程腔长-压力灵敏度为1020.4 nm/MPa,均与理论值1027.6 nm/MPa相近。

图 6. 气压为0~5 MPa时传感器光学腔长与气压的关系。(a)升压过程;(b)降压过程

Fig. 6. Relationship between optical cavity length of pressure sensor and gas pressure in pressure range of 0-5 MPa. (a) Pressure increasing; (b) pressure decreasing

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同样分别测量升压与降压过程。升压实验从0 MPa开始,将压力罐的进气阀门打开一个小口,让气体缓慢进入压力罐,直至气压升至0.4 MPa,期间每上升0.01 MPa记录一次传感器光学腔长。降压实验将压力罐内气压升至0.4 MPa,然后将压力罐的出气阀门打开一个小口,让气体缓慢泄露,每下降0.01 MPa记录一次传感器光学腔长,直至0 MPa。测得腔长随气压的变化关系如图7所示。从图7中可看出,升压过程腔长-压力灵敏度为1026.4 nm/MPa,降压过程腔长-压力灵敏度为1034.2 nm/MPa,亦均与理论值1027.6 nm/MPa相近。

图 7. 气压为0~0.4 MPa时传感器光学腔长与气压的关系。(a)升压过程;(b)降压过程

Fig. 7. Relationship between optical cavity length of sensor and gas pressure in pressure range of 0-0.4 MPa. (a) Pressure increasing; (b) pressure decreasing

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图 8. 腔长的测量波动

Fig. 8. Measuring fluctuation of cavity length

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2) 分辨率测试。在常温环境下连续测量传感器的腔长,1 s测量1次,共测300次,测量结果如图8所示。传感器腔长最大波动差值为2.5 nm,已知低压时升压过程腔长-压力灵敏度为1026.4 nm/MPa,降压过程腔长-压力灵敏度为1034.2 nm/MPa,则传感器的压力分辨率约为2.4 kPa。

综上所述,该传感器的量程为0~5 MPa,腔长-压力灵敏度为1.02 μm/MPa,压力分辨率约为2.4 kPa。表1对该传感器与其他光纤气体压力传感器的3种参数进行了比较。该传感器具有量程大、灵敏度高、分辨率高等优点。

4 结论

设计了一种基于飞秒激光加工的无膜式光纤气体压力传感器。通过飞秒激光加工烧蚀SMF-HF-NCF的熔接结构,形成无膜的开腔的EFPI压力传感器。实验表明,该传感器腔长-压力灵敏度为1.02 μm/MPa,压力测量分辨率为2.4 kPa。该传感器具有量程大、灵敏度高、分辨率高和易加工等优点,可用于测量不同环境下的气体压力,有较高的实际应用价值,有望在航空航天、汽车工业、化学工业和井下监测等领域应用。