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基于飞秒激光制备高灵敏度光纤温度和应变本征法布里-珀罗干涉仪

发布:laserline    |    2019-10-02 21:26    阅读:666
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双参数传感测量,尤其是应变和温度,是任何传感测量设备最理想的功能之一。通常,由于电子传感器的大规模可复制生产和易于应用,因此它们常用于应变和温度监控。但是,这些设备在复用,分辨率和电磁干扰方面都有缺点。光纤传感器的出现由于它们的复用容量和固有的优点(诸如低质量,生物相容性,抗电磁干扰,远程传感性,和传感位置无需供电),作为双参数传感的一个可行的解决方案。由于光纤布拉格光栅(FBG)和法布里-珀罗干涉仪(FPI)成熟的制造方法和高灵敏度,它们经常用于温度和应变的监控。尽管FBG具有很高的灵敏度值,但仍有许多不同的FPI配置可提供更高的双参数分辨率。但是,双传感参量相机影响是其一个主要缺点,并且几乎总是存在于任何设备中。通常,使用数学解决方案来克服这些问题,但是这些补偿技术可能会牺牲传感器的分辨率,实用性和实时传感性。基于FPI的光纤传感器具有多种用途,并根据制造材料和方法提供各种有利功能。最近,不同的FPI配置已经结合使用游标效应,以增强光传感器的灵敏度和稳定性。然而,这些设备大多涉及复杂的制造方法,难以确保良好的再现性。


图1 RFPI(L=1500μm  ),sFPI(L=1515μm   )和cFPI的模拟光谱。光谱放大部分显示了在1540至1550 nm范围内由游标效应产生的节拍。

近日葡萄牙阿威罗大学的科学家提出了一种基于游标效应的高灵敏度级联FPI(cFPI)传感器,用于温度和应变测量。这种传感器是通过用飞秒激光在一根标准单模光纤(SMF28 +)中刻入四个横向平面而制成的。这四个横向平面对应于cFPI,cFPI分别包含一个参考FPI和一个传感FPI(rFPI和sFPI)。通过仿真确定最佳FPI的物理长度,用以优化传感器的灵敏度。通过选择所需的放大倍率值(M)和rFPI物理长度,通过仿真模型可以确定sFPI的相应物理长度。波长范围在1520nm到1570nm之间的仿真变化如图1所示。


图2 (a)用于制造FPI的激光刻印装置的示意图。I,光圈;At,功率衰减器;M,反射镜;O,显微镜物镜。(b)rFPI制造和cFPI配置的示意图。Δ??,镜高;L,FPI反射镜之间的距离;L,rFPI和sFPI之间的距离。(c)制成的rFPI(高光谱,绿线)和cFPI(低光谱,黄线)的光谱。

FPI的制备是基于仿真结果进行的。飞秒激光器(来自Quantronix的Integra-C型,脉冲频率约为130fs  ,中心波长795 nm,重复频率1 kHz)发出的激光脉冲通过×50NIR,NA值为0.67物镜聚焦在裸纤芯上,工作距离为10毫米。在显微镜物镜入口处测得的激光束功率为434μW。在整个过程中,通过光谱分辨率为1 pm的光学监视器(Micron Optics SM125,图2a)监视传感器的制造过程。第一步,通过电动3D平移台(来自Newport的两台MFA-CC,分辨率为3μm,一个来自Optussigma的OSMS60-10ZF,分辨率为1μm)和CCD相机将光纤芯对准激光焦点。然后,通过以0.04 m / s的恒定速度垂直于光纤轴移动激光点,并在大约30μm的长度范围内改变光纤的折射率来制造rFPI的第一面反射镜。然后,将光纤纵向移动1500μm,并进行相同的横向光刻(图2b)。由于制造方法允许在两个FPI之间选择任何距离,因此为了简化校准过程,将sFPI刻在距rFPI 210毫米处。所采用的光刻工艺与上述针对rFPI的光刻工艺相同,但腔长为1515μm。从图2c可以看出,传感器的最终光谱在给出的光谱范围内(接近1550 nm)具有单个重叠节拍。仿真的节拍位置与制造的cFPI的拍子位置之间的差异可能与制备的FPI与仿真的FPI光程差或有效折射率的微小变化有关。这两个参数的波动可能与光刻设备的机械限制(例如3D平台的分辨率和可重复性以及飞秒激光的稳定性)有关,并且在理论模拟中未考虑温度。重要的是要注意在此传感器的配置中有四个反射镜,会形成两个以上的FPI。


图3(a)应变敏感性表征中使用的实验装置的示意图。(b)cFPI随施加应变的光谱演化。插入了灰色阴影,以更好地显示节拍偏移。(c)施加了应变包络的波长偏移的上边界(红线,实心圆)和下边界(绿虚线,空心圆)。

在应变敏感性表征中,sFPI用氰基丙烯酸酯粘合剂固定在一个固定支架和一个分辨率为0.5μm的线性手动台之间[图3(a)]。在没有任何施加应变的情况下,将rFPI保持在与sFPI相同的温度下,用以补偿任何温度变化。两个固定点之间的距离增加了1μm(在特征分析中转换为με),并且在每个步骤记录光谱[图3(b)]。计算每个谱线的上下包络线,并分别监测其谷值和峰值。在图3c中显示了应变特性曲线,其中每个数据点分别代表了增加和减少应变结果之间的平均值。根据上下包络线应变数据的线性拟合,灵敏度分别为138 pm /με和145 pm /με。还进行了温度敏感性表征。图4a显示了实验设置的示意图,其中使用了分辨率为1°C的定制管状烤箱。类似于应变表征,此处仅sFPI经历了温度变化,而rFPI没有施加应变且处于稳定温度。通过将温度以5°C的步进从30°C升高到60°C进行表征,然后通过等间隔的降温再来进行表征。热稳定后(约5分钟),记录光谱轨迹。在图4b中显示了每个温度步骤获得的光谱。图4c显示了热特性数据和相应的线性拟合曲线。类似于应变的特征,每个数据点分别表示加热和冷却模式之间的平均值,分别用于上部和下部包络线。通过线性拟合,对上下信封的温度敏感度分别为927 pm /°C和866 pm /°C。相关内容以《Highly sensitive fiber optic temperature and strain sensor based on an intrinsic Fabry–Perot interferometer fabricated by a femtosecond laser》为题,发表在《Optics Letters》杂志上。


图4(a)温度灵敏度特性设置的示意图。(b)cFPI在施加温度下的光谱演化。插入了灰色阴影,以更好地显示节拍偏移。(c)施加了温度后包络的波长偏移的上边界(红线,实心圆)和下边界(绿虚线,空心圆)。

来源: Optics Letters

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