一种基于飞秒激光直写的光纤法布里‑珀罗传感器的快速制备方法与流程

本发明属于光纤光学和传感器领域，涉及一种光纤法布里-珀罗传感器的加工方法，具体涉及一种基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法。

背景技术：

光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、防水、抗化学腐蚀、兼具测量传感和信息传输功能等优点，在温度、应力、应变等参量的测量中具有广泛的应用潜力。在各种类型的光纤传感器中，目前精度最高的是干涉型光纤传感器。其中法布里-珀罗传感器因只用一根光纤且结构简单、体积小、动态范围大，在生物医学、磁场、微机电系统中受到广泛的关注。

光纤法布里-珀罗(F-P)传感器主要包括两类：一类是利用光纤和一个具有反射面的非光纤元件组成的非本征型结构；一类是利用光纤和另一段光纤构成的本征型结构。本征型光纤F-P传感器的一种加工方法是光纤两端面蒸镀反射介质膜，通过对接或者封装连接起来。由于光纤直径在微米量级，镀膜难度大，对接时需要精确地控制镀膜光纤和连接光纤的对准以减小耦合损失，因此这种方法操作难度较大。利用紫外或者飞秒激光辐照形成一折射率台阶也可以形成F-P光纤传感器。此外还可以在光纤中加工出一段空气微腔，微腔的两个端面构成F-P结构。微腔的加工方法主要有化学腐蚀法和微纳加工技术直接刻蚀法。前者采用化学腐蚀的方法在一段光纤的端面腐蚀出微槽，然后与另一段光纤熔接或者对接在一起构成微腔。微纳加工技术直接刻蚀的方法为采用离子铣或者飞秒激光等微纳加工技术在光纤中直接刻蚀。利用飞秒激光刻蚀微腔结构的F-P传感器要求空腔内壁必须非常光滑，以减小散射损耗，因此要求加工速度非常低。由于F-P干涉仪结构的干涉光谱精细度与腔长成反比，另外为了便于F-P传感器的信号解调，微腔结构在轴向长度通常在15μm以上。采用微纳加工技术必须多次扫描以形成足够长的微腔。最近有报道利用飞秒激光诱导水击穿的加工方法在距离光纤端面不远处刻蚀一个通孔，利用光纤光滑的反射面和该通孔构成F-P传感器结构。该结构相对加工微腔需要去除的光纤区域相对减小。为了提高反射率，进一步的利用电弧放电对微孔进行了光滑。然而为了制备出光滑且贯穿的通孔，制备时通常认为要采用尽可能低的扫描速率，例如对1kHz飞秒激光，扫描速率在2μm/s左右。深度上扫描范围接近光纤直径，约百μm左右，制备时间在50s以上。以上光纤F-P传感器的制备方法均比较复杂。采用飞秒激光加工F-P的方法，对于微腔式或者通孔式F-P结构，通常认为采用慢的加工速度以获得尽可能光滑的内壁及贯穿结构。由于加工区域相对较大，加工时间长。另外由于纤芯区域破坏面积达，损耗较大，尤其是空气微腔结构的F-P光纤传感器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，该方法采用飞秒激光快速扫描的方式制备出狭槽，使光纤末端和狭槽端面构成法布里-珀罗(F-P)传感器结构，该方法与现有技术相比，加工速度快，加工工序更为简单，适合批量加工。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，其步骤为：在具有光滑端面的光纤末端，利用飞秒激光沿垂直光纤轴线的方向快速扫描，加工出深度到达光纤纤芯位置的狭槽，由狭槽端面和光纤末端的光滑端面构成法布里-珀罗传感器结构；其中快速扫描是指对于1kHz的飞秒激光脉冲，其扫描速度在50μm/s以上。

所述的基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，其具体步骤为：

1)利用切割刀在光纤末端垂直于光纤轴切割出光滑端面；

2)将光纤末端固定，在空气氛围中利用飞秒激光沿垂直于光纤轴的方向横向快速扫描，切割出狭槽，狭槽的深度到达光纤纤芯位置；其中快速扫描是指对于1kHz的飞秒激光脉冲，其扫描速度在50μm/s以上；

3)将扫描后的光纤清洗干净，由狭槽端面和光纤末端的光滑端面构成法布里-珀罗传感器结构。

所述的狭槽的长度为光纤纤芯直径的2～9倍，狭槽在纤芯处的宽度小于5μm。

所述的飞秒激光的扫描次数为单次或者两次。

所述步骤3)中依次用酒精、丙酮、去离子水清洗光纤。

所述步骤3)中在清洗完光纤后，在光纤末端的光滑端面上镀一层高反射膜提高反射率。

所述的高反射膜包括铝膜和银膜，采用蒸镀或者溅射方法进行镀膜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，采用飞秒激光快速扫描即飞秒激光直写的方式制备出狭槽，使光纤末端和狭槽端面构成法布里-珀罗(F-P)传感器结构。该方法不同于传统利用飞秒激光加工技术制备微腔或者通孔时应采用慢速加工的方法，而是采用快速扫描，其加工效率非常高，对于1kHz飞秒激光，其扫描速度在50μm/s以上，加工时间小于1s，并且加工过程在显微镜下进行，可将加工F-P腔长的长度精度控制在几个微米以内，相对于腐蚀方法，其加工精度高，结果可控性强。同时本发明采用的飞秒激光快速扫描法对于任何种类的光纤都适用，加工效率高，可实现大批量生产。在应用中，不镀膜时可满足1000℃以内的温度传感测量的需求，可在很宽的温度范围内实现高灵敏度、高线性的温度传感。该方法与现有技术相比，操作简单，加工速度快，加工工序更为简单，适合批量加工。

进一步的，现有技术中通过化学腐蚀等方法制备F-P腔传感需要加工在光纤轴向长度15μm以上的微腔结构，而本发明加工出的狭槽在纤芯处的宽度小于5μm，因此本发明制得的F-P光纤传感器的机械性能更好。同时在飞秒激光快速扫描的过程中，飞秒激光切割狭槽的深度由激光能量和扫描速度决定，加工参数窗口宽，扫描次数为单次或者2次，不需要很多次重复扫描。另外本发明中还可以通过镀膜提高F-P光纤传感器的反射率，可以采用蒸镀或者溅射方法对光纤端面进行镀膜，能够进行批量操作，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明中采用的加工装置图；

图2是本发明中采用的温度传感实验的装置图；

图3是本发明在加工光纤时的示意图；

图4是本发明在加工过程中飞秒激光扫描后狭槽的侧面和顶面的光学显微镜图；

图5是实施例1制得的F-P传感器在1525nm-1570nm范围内的干涉谱；

图6是实施例1制得的F-P传感器在不同温度下干涉谱的变化情况；

图7是实施例1制得的F-P传感器在200℃-1100℃内波长偏移量随温度变化的拟合结果；

图8是本发明中在光纤端面镀膜采用的装置示意图；

图9是实施例2制得的F-P传感器干涉谱与实施例1制得的F-P传感器干涉谱对比图；

图10是实施例2制得的F-P传感器在20℃-200℃内波长偏移量与温度变化的拟合结果。

其中，1为光纤；2为显微物镜；3为飞秒激光；4为CCD；5为三维电动平移台；6为计算机；7为宽带光源；8为光谱分析仪；9为光纤环形器，10为光纤跳线；11为光纤F-P传感器束，12为真空蒸镀腔，13为光纤样品夹具。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，以下结合具体实施例并参考附图对本发明的具体结构及操作过程进行进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，该方法采用飞秒激光快速扫描的方式制备出狭槽，使光纤末端和狭槽端面构成F-P传感器结构，进一步可通过在光纤末端面镀膜提高F-P传感器的反射率。其具体步骤如下：

(1)利用切割刀在光纤末端垂直于光纤轴切割出光滑端面。(光滑端面的制备也可以采用其它加工方法，不仅限于切割刀切割。)

(2)将光纤末端固定，在空气氛围中利用飞秒激光沿垂直于光纤轴方向横向快速扫描，切割出狭槽，狭槽深度到达纤芯位置附近，长度为光纤纤芯直径的2～9倍，狭槽在纤芯处的宽度小于5μm；

(3)将扫描后的光纤依次在酒精、丙酮中、去离子水中清洗；

(4)进一步的，在光纤末端面镀高反射膜，以提高干涉仪反射率，其中高反射膜包括铝膜、银膜等金属膜或者其它介质膜。采用蒸镀或者溅射方法对光纤端面进行镀膜，可进行批量操作。(反射膜材料和镀膜方法不仅限于上述材料和方法。)

所述的光纤可以为任何种类的光纤，可以为石英或其它光纤。该方法扫描速度快，对于1kHz飞秒激光脉冲扫描速度在50μm/s以上，加工时间小于1s。该方法中飞秒激光在光纤中扫描出的狭槽深度在纤芯附近，飞秒激光切割狭槽的深度由激光能量和扫描速度决定，加工参数窗口宽。该方法中飞秒激光的扫描次数为单次或者2次，不需要很多次重复扫描。

图1为实现本发明的方法所采用的一种加工装置示意图，该加工装置由显微物镜2、三维电动平移台5、计算机6、飞秒激光3组成，其中光纤1放置在三维电动平移台5上，计算机6与三维电动平移台5以及设置在显微物镜2上方的CCD4连接，飞秒激光3经显微物镜2聚焦后照射在光纤1上。

图2为本发明对制得的F-P传感器进行温度传感测量时采用的测量装置示意图。该测量装置中宽带光源7发出光信号通过光纤跳线10进入光纤环形器9再经过光纤F-P传感器束11反射，反射光经过光纤环形器9进入光谱分析仪8，最后光谱分析仪将收集的反射光谱数据传输给计算机6。

利用图1、图2所示的装置，下面结合附图给出本发明的两个具体的实施例：

实施例1

本实施例以加工高温F-P温度传感器为例，具体如下：

原始材料：Corning SMF-28单模光纤，包层直径125μm，纤芯直径8μm。

高温F-P光纤传感器的制备步骤及详细实施方式具体阐述如下：

(1)将光纤1端面去掉涂覆层，使用沾有酒精的无尘纸清洗干净。利用切割刀在光纤末端垂直于光纤轴切割出光滑端面；

(2)将光纤1末端固定于三维电动平移台5上，如图3所示，飞秒激光3脉冲宽度为50fs，功率设定为2mW。选择20×、数值孔径0.45的显微物镜2，使飞秒激光3通过显微物镜2聚焦在光纤1顶部，三维电动平移台5的扫描速率为100μm/s。在空气氛围中利用飞秒激光沿垂直于光纤轴方向横向快速扫描60μm，切割出狭槽；

(3)将扫描后的光纤依次在酒精、丙酮中、去离子水中清洗，即得到F-P光纤传感器。

图4为实施例1加工的F-P光纤传感器侧面和顶面的光学显微镜图。从图4中可以看出，狭槽深度已经到纤芯。将实施例1制备的光纤F-P传感器连接至温度传感测试装置，如图2所示，测量得到的反射光谱如图5所示，可以看到该传感器的反射光谱干涉对比度可达10dB。将实施例1制备的光纤传感器放置于高温炉中，从200℃升温到1100℃测量其反射谱的变化。图6给出了F-P传感器波长随温度的偏移情况，从图6中可以看出随着温度的升高波长向长波方向移动，而干涉条纹的对比度保持不变。对特定干涉峰随温度升高波长的偏移情况做出了拟合，结果如图7所示，从图7中可以看出此F-P光纤传感器的波长漂移量随温度的升高线性增大，温度灵敏度为15.47pm/℃，拟合线性度达0.998。

实施例2

本实施例以加工高温F-P温度传感器为例，并对其进行镀膜以提高反射率，具体如下：

原始材料：Corning SMF-28单模光纤，包层直径125μm，纤芯直径8μm。

高温F-P光纤传感器的制备步骤及详细实施方式具体阐述如下：

(1)将光纤1端面去掉涂覆层，使用沾有酒精的无尘纸清洗干净。利用切割刀在光纤末端垂直于光纤轴切割出光滑端面；

(2)将光纤1末端固定于三维电动平移台5上，如图3所示，飞秒激光3脉冲宽度为50fs，功率设定为2mW。选择20×、数值孔径0.45的显微物镜2，使飞秒激光3通过显微物镜2聚焦在光纤1顶部，三维电动平移台5的扫描速率为100μm/s。在空气氛围中利用飞秒激光沿垂直于光纤轴方向横向快速扫描60μm，切割出狭槽；

(3)将扫描后的光纤依次在酒精、丙酮中、去离子水中清洗；。

(4)对扫描后的光纤末端面镀铝膜，得到镀膜后的F-P传感器。其中镀膜时使用的相关装置参考图8，镀膜过程在真空蒸镀腔12中进行，真空蒸镀腔12的上部设有光纤样品夹具13，光纤样品夹具13夹住光纤F-P传感器束11并使其端面朝下，真空蒸镀腔12的下部设有金属蒸发源进行镀膜，镀膜时间为10min，镀膜速率为1nm/s，镀膜厚度为600nm。

实施例2加工完成的F-P传感器反射谱测量方法与实施例1相同，结果如图9所示，图9中上方的曲线为实施例2加工的镀膜的F-P传感器的反射谱，下方的曲线为实施例1加工的未镀膜的F-P传感器的反射谱，从图9中可以看出，与未镀膜的F-P传感器相比，镀膜后F-P传感器的反射率明显提高，约为25％，而未镀膜的F-P传感器的反射率约为4％，镀膜后的F-P传感器的反射率约为未镀膜时的6倍。将实施例2制得的镀膜F-P传感器置于恒温控制箱体内，调节温度从20℃升高到200℃，每隔20℃监测反射光谱变化，结果如图10所示，可以看出其反射光谱波长随着温度升高而升高，另外从图10中的波长随温度偏移拟合曲线可以看出镀膜并没有影响F-P传感器波长偏移量随温度的线性变化规律，该传感器的温度灵敏度达11.52pm/℃。

通过上述实施例和实验结果可以看出，本发明提供的基于飞秒激光直写的光纤法布里-珀罗传感器的快速制备方法，不同于传统利用飞秒激光加工技术制备微腔或者通孔时应采用慢速加工的方法，而是采用快速扫描，其加工效率非常高，对于1kHz飞秒激光，其扫描速度在50μm/s以上，加工时间小于1s，在飞秒激光快速扫描的过程中，飞秒激光切割狭槽的深度由激光能量和扫描速度决定，加工参数窗口宽，扫描次数为单次或者2次，不需要很多次重复扫描。另外加工过程在显微镜下进行，相对于腐蚀方法，其加工精度高，结果可控性强。相比于化学腐蚀等方法制备F-P腔传感需要加工在光纤轴向长度15μm以上的微腔结构，本发明加工出的狭槽在纤芯处的宽度小于5μm，因此本发明制得的F-P光纤传感器的机械性能更好。另外本发明中还可以通过镀膜提高F-P光纤传感器的反射率，可以采用蒸镀或者溅射方法对光纤端面进行镀膜，能够进行批量操作，提高生产效率。本发明采用的飞秒激光快速扫描法对于任何种类的光纤都适用，加工效率高，可实现大批量生产。在应用中，不镀膜时可满足1000℃以内的温度传感测量的需求，可在很宽的温度范围内实现高灵敏度、高线性的温度传感。该方法与现有技术相比，操作简单，加工速度快，加工工序更为简单，适合批量加工。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。