飛秒激光制備的高靈敏度氣壓探針傳感器

郭小珊,王 解,葉文豪,江 超,孫四梅,劉昌寧

(湖北師范大學物理與電子科學學院,湖北 黃石 435002)

1 引 言

氣壓是環(huán)境的基本參數(shù)之一,在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中經(jīng)常需要監(jiān)測氣壓的變化。人們已經(jīng)開發(fā)出一些全光纖氣壓傳感器,主要有光纖光柵氣壓傳感器[1-2]和光纖干涉儀氣壓傳感器[3-5]。在光纖干涉儀中,尤其以法布里珀羅(F-P)干涉儀構成的氣壓探針傳感器最多見[6-17]。由F-P腔構成的光纖氣壓傳感器一般有兩種典型結(jié)構:①第一種結(jié)構是基于開放F-P腔構成的氣壓傳感器[6-11]。主要利用環(huán)境氣壓變化引起F-P腔內(nèi)氣體折射率改變實現(xiàn)氣壓測量。此類傳感器結(jié)構穩(wěn)定牢固,溫度串擾小,但靈敏度不高。另外,普通光纖本身并不帶有氣孔,要形成一個與外界連通的開放F-P腔,通常需要采用激光加工或者腐蝕的方式制作微孔或者凹槽,形成開放結(jié)構,制作工藝相對繁瑣。雖然各種帶有氣孔的光纖被研制出來后,可以直接拼接形成氣腔,但還是需要制作氣腔與外界連通孔,制作成本高,工藝復雜。②第二種結(jié)構是基于薄膜結(jié)構構成的F-P干涉儀氣壓傳感器[12-17]。主要利用環(huán)境氣壓變化造成薄膜發(fā)生形變,從而使F-P腔的腔長變化實現(xiàn)氣壓測量。薄膜可以鍍在光纖端面,也可以鍍在一些空芯結(jié)構端面。此類結(jié)構氣壓傳感器靈敏度很高,響應速度極快。但也存在膜層制作難度大,承受氣壓小,易氧化等缺點,限制了傳感器的使用壽命?，F(xiàn)在隨著膜層制作工藝的改進,這種高靈敏度的氣壓傳感器越來越受到人們的重視與青睞。毛細石英管(CQT)類似于空心光纖,性能穩(wěn)定,機械強度高,對溫度敏感度小,利用它制作的F-P干涉儀傳感器性能優(yōu)良[10-11,18]。本文利用毛細石英管設計了一款新型F-P干涉儀氣壓探針傳感器,傳感器的F-P腔由單模光纖、毛細石英管及毛細石英管末端鍍的聚乙烯醇(PVA)薄膜構成。詳細論述了傳感器的制作方法,分析了傳感器測量氣壓的原理,研究了傳感器的氣壓與溫度傳感特性。

2 傳感器結(jié)構與原理分析

2.1 傳感器的制作

為了選擇合適的毛細石英管參數(shù)與確定傳感器中毛細管的長度。首先利用光學仿真軟件Rsoft對光在自由空間傳輸進行仿真,得到光從單模光纖纖芯自由空間傳播的空間功率分布圖如圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn),光從單模光纖纖芯向前傳播100 μm時,光束主體還是束縛在直徑大約為30 μm的圓柱空間中。因此如果選用內(nèi)徑較小毛細管時,光束可能會傳輸?shù)矫毠芄鼙谥?增加了原理分析與實驗分析的復雜性；當選用內(nèi)徑大于30 μm的毛細石英管時,能夠確保光束都在毛細石英管的管腔中傳輸,管壁中無光束傳輸,分析起來比較簡單,光束也比較好控制。因此我們在傳感器中選擇Polymicro Technologies公司生產(chǎn)的TSP075150型號毛細石英管,該管內(nèi)徑為75 μm,外徑為150 μm,管壁為高純度石英玻璃。

圖1 光從單模光纖纖芯前向傳播的光功率分布圖Fig.1 Optical power distribution of light propagating forward from single mode fiber core

圖2為傳感器結(jié)構與光路圖以及毛細石英管示意圖,傳感器的F-P腔由單模光纖和毛細石英管以及毛細管末端的PVA膜構成。單模光纖采用武漢長飛光纖光纜有限公司生產(chǎn)的普通標準單模光纖,纖芯/包層直徑為9 μm/125 μm；毛細石英管選用TSP075150型號,它的外徑為150 μm(包含表面涂層),除去表面涂層后,毛細石英管的實際外徑為126 μm,與普通單模光纖外徑125 μm基本一致。兩者都是石英結(jié)構,因此能夠用光纖熔接機對它們進行熔接。在傳感器制備過程中有幾個關鍵技術:單模光纖與毛細石英管的熔接；毛細石英管長度的精確控制；毛細石英管端面PVA薄膜的涂覆。下面進行詳細論述:

圖2 傳感器的結(jié)構與光路圖及毛細石英管示意圖Fig.2 Structure and optical path diagram of sensor and schematic diagram of capillary quartz tube

第一步,單模光纖與毛細石英管的熔接。雖然單模光纖與毛細石英管外徑基本一致,但由于單模光纖是與空心的毛細石英管熔接,熔接它們必須采用專門的熔接參數(shù)與熔接方式。我們利用Fujikura FSM-100+大芯徑光纖熔接機對光纖與毛細石英管進行熔接。由于毛細石英管表面涂覆了一層聚酰亞胺聚合物,無法利用光纖剝線鉗剝離,因此采用燃燒法將毛細石英管表面涂覆層去除,用無水酒精擦拭干凈后,再用光纖切割刀將其端面切平整。經(jīng)過手動調(diào)節(jié)與嘗試,獲得最佳熔接參數(shù),完成單模光纖與毛細石英管的熔接。

第二步,利用飛秒激光精加工技術精確切割控制毛細石英管的長度。在實驗中為了獲得較大自由光譜范圍(FSR),我們選擇毛細石英管長度在30～60 μm之間。在這么短的毛細石英管中,光束傳播直徑擴散很小,光束全部在毛細管的空氣腔中傳輸。如此短而且精確的毛細石英管長度,采用一般辦法無法切割獲得。由于飛秒激光在精密加工光學透明材料方面的突出優(yōu)勢[19],我們采用實驗室搭建的飛秒激光微加工系統(tǒng)對毛細石英管進行精確切割,圖3為搭建的飛秒激光微加工系統(tǒng),所用飛秒激光器波長為800 nm,頻率1 kHz,出光功率為4.7 W。飛秒激光切割毛細石英管的工藝參數(shù)與過程描述如下:

圖3 飛秒激光切割毛細石英管的微加工系統(tǒng)Fig.3 Micromachining system for femtosecond laser cutting capillary quartz tube

① V型玻璃槽放置毛細管。在切割時毛細管受力會移動,我們采用大小合適的V型玻璃槽來放置毛細管。為防止激光損傷V槽,將毛細管與單模光纖拼接好之后放置在V槽上,V型槽固定在三維平移臺上,切割點伸出V型槽形成懸空方式。

② 加工物鏡選擇。因為聚焦物鏡的倍數(shù)越高焦點越近,光斑越小瑞利長度越短,因此在綜合考慮后選擇20倍的物鏡對激光進行聚焦。

③ 激光加工功率選取。毛細管切割時必須仔細選擇激光功率,飛秒激光出光口功率4.7 W,通過衰減系統(tǒng)對光功率進行調(diào)節(jié),經(jīng)過多次嘗試,最后確定切割功率為5.4 mW,此功率經(jīng)過20倍物鏡聚焦后不會對毛細管表面造成裂痕,能較好完成對毛細管的切割。

④ 切割方式的確定。激光先聚焦在毛細管的上表面開始切割,逐層往下切割,直至把毛細管完全切斷。為了保證切割質(zhì)量,利用折射率匹配液輔助切割,帶走切割殘渣。圖4為切割后的傳感器圖片,從圖片中可以看到毛細管切割端面較為齊整,毛細管切割后長度約為50 μm。

第三步,毛細石英管端面制備PVA薄膜。PVA薄膜是一種性能比較穩(wěn)定的有機材料,也常常被用在傳感領域制作傳感器[20-21]。PVA薄膜的制備步驟如下:

① 配置PVA溶液:將PVA顆粒與去離子水混合后形成5 %(wt/wt)的混合液體,然后將其放到磁力攪拌器上,在溫度為90 ℃,轉(zhuǎn)速640 rpm的條件下,水浴加熱1 h,使PVA顆粒充分溶解,形成PVA溶液。

② 使用提拉法制備PVA膜:先將準備好的熔接結(jié)構的毛細管端放入PVA溶液中,毛細管吸入PVA溶液,然后利用步進電機從PVA溶液中提拉出傳感頭,通過控制步進電機速度來控制PVA薄膜厚度。

③ PVA薄膜進行干燥:將鍍膜后的結(jié)構放入真空干燥箱中,在80 ℃溫度下烘干1 h。

④ 薄膜質(zhì)量檢測:將制作完成的傳感器結(jié)構放在金相顯微鏡下觀察,看膜層是否均勻,膜形狀與厚度是否符合要求。如果不符合要求,需要重新進行多次鍍膜。

最后,將制備好的結(jié)構分別與寬帶光源和光譜分析儀連接在一起,觀察結(jié)構的反射譜,如果反射譜不理想,再調(diào)節(jié)結(jié)構的參數(shù),以獲得理想的反射譜,最終完成傳感器結(jié)構的制作。將制作完成的傳感器結(jié)構放在金相顯微鏡下拍攝,實物圖如圖4所示,發(fā)現(xiàn)PVA膜基本在毛細管內(nèi)部相當于一個凸透鏡,測得PVA膜凸面厚度約為10 μm,毛細石英管中空腔長度約為40 μm,毛細管傳感頭總長約為50 μm。

圖4 傳感頭在顯微鏡下的實物圖Fig.4 Optical microscope images of the sensor

2.2 傳感原理分析

傳感器的光路示意圖如前面圖2所示,傳感器共有三個反射面,單模光纖的末端截面R1,毛細石英管與PVA膜的內(nèi)接觸面R2以及PVA膜與外界空氣接觸面R3,其中R1、R2、R3為三個面的反射率。傳感器結(jié)構相當于兩個F-P腔的級聯(lián),一個由R1和R2構成的F-P腔,另一個由R2和R3構成的F-P腔。在制備PVA膜時,PVA液體流入毛細管內(nèi)部,經(jīng)過干燥形成薄膜,薄膜內(nèi)表面形成一個反射率為R2的反射曲面,但彎曲程度較小,由于光線主要集中在鏡面中間部分反射,可以把它們近似看著是平面鏡反射,這一近似方法在其他文獻中也被用到[20-21]。光源發(fā)出的光被這三個鏡面反射,三束不同光路的光因為不同相位延遲而產(chǎn)生干涉。輸出反射光干涉光譜強度可以表示為[22]:

(1)

(2)

nPVA是PVA膜折射率;nair是空氣腔中空氣介質(zhì)的折射率,L1為空氣腔長度;L2為PVA膜的厚度;λ為自由空間光波長。當滿足相位條件時,傳感器將會形成穩(wěn)定的干涉圖譜。當干涉儀的相關參數(shù)確定以后,能夠利用MATLAB軟件模擬仿真干涉儀的光譜圖。設nco=1.46,nPVA=1.52,nair=1,k1=k2=0.11,L1=45 μm,L2=5μm,R1=0.034,R2=R3=0.043時,利用公式(1)模擬仿真得到的傳感器反射譜如圖5所示。

圖5 模擬的傳感器的反射光譜Fig.5 Simulated reflection spectra of the sensor

在理論上傳感器相當于兩個F-P腔的級聯(lián),一個由R1和R2構成的空氣腔,在干涉中占主要地位；另一個由R2和R3構成的PVA腔,由于光在PVA腔中損耗大,產(chǎn)生的干涉弱。因此在分析傳感器的氣壓靈敏度時,單獨考慮空氣腔的作用是能夠滿足要求的。當滿足相位條件時,即 2φ1=(2m+1)π,得到傳感器干涉譜的m階諧振峰波谷波長為:

(3)

由于構成傳感器的F-P腔是閉腔,因此當傳感器周圍環(huán)境氣壓發(fā)生變化時,PVA薄膜受壓而向內(nèi)部膨脹,使腔長L1變小,而腔中空氣的折射率nair不變,由(3)式可得,干涉譜中波谷波長將變小。如果通過實驗能夠測出λm與P之間確定的變化關系曲線,就可以利用干涉譜中波谷波長的變化量解調(diào)出被測氣壓值。傳感器的氣壓靈敏度能夠通過下面方法進行簡單估算:

(4)

由相關文獻可知,氣壓變化引起PVA薄膜的軸向應變?yōu)閇3]:

(5)

式中,E和δ分別是PVA薄膜的楊氏模量和泊松比,均為常數(shù)；L2是PVA腔的腔長。由傳感器結(jié)構可知,空氣腔腔長L1隨外界氣壓的變化量為:

(6)

由(6)式與(4)式可得傳感器的氣壓靈敏度計算公式:

(7)

2.3 傳感器的反射譜

圖6是傳感器的反射譜,與理論模擬的反射譜基本一致。對圖6進行分析,發(fā)現(xiàn)反射譜存在許多諧振峰,這些小的諧振峰又形成一個比較大的包絡線,說明干涉儀其實是兩個F-P腔共同作用的結(jié)果。可以看出不同光拍內(nèi)的自由光譜范圍(FSR)并不完全一致,但一般情況下FSR與腔長成反比。在后面氣壓與溫度實驗中,選擇處于光纖通信波段的波谷dip 1為觀測點,它的峰值波長λ1=1548 nm,峰值強度A1=-9.88 dB。圖7是圖6光譜圖經(jīng)傅里葉變換后得到的空間頻譜圖,觀察頻譜圖可知,僅有3個主要頻率對干涉形成較大貢獻,還有2個頻率也對干涉功率有少量貢獻,說明參與干涉的模式主要有3個,與前面理論分析基本一致。

圖6 傳感器的反射譜Fig.6 Reflection spectra of the sensor

圖7 傳感器的空間頻譜Fig.7 Spatial frequency spectrum of the sensor

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 氣壓實驗

氣壓傳感測量實驗的裝置如圖8所示,包括光譜分析儀(OSA:AQ6370D),低偏振超寬帶光源(BBS),光纖環(huán)形器,氣泵,氣壓表,氣室等。氣室由塑料三通構成,三通的直通端經(jīng)過軟管接氣泵與氣壓表,傳感頭通過玻璃管接在第三端口,利用密封膠把三通的各個接口都密封好構成氣室。在氣壓測量實驗前,還要對整個氣路每個連接節(jié)點都用密封膠進行密封,完全干燥后,還要對這些地方進行檢漏,確保實驗時不漏氣,以防漏氣影響實驗結(jié)果。氣壓實驗在室溫下進行,通過手動方式直接操作氣泵,給氣室線性加氣壓和減氣壓。由于傳感器鍍的PVA薄膜不能承受太高氣壓,我們選取氣壓P測量范圍為:0～0.5 MPa,每次給氣室加壓0.1 MPa,在每個增壓點保持15分鐘氣壓不變,再記錄光譜圖,確保數(shù)據(jù)的可靠性。

圖8 傳感器的氣壓實驗裝置圖Fig.8 Experimental setup for gas pressure measurement

圖9為氣壓增加時傳感器的光譜變化情況。從圖中可以觀察到,當氣壓P增大時,傳感器的反射譜明顯向短波長方向漂移(藍移),與上節(jié)理論分析的結(jié)果一致,但諧振波長的幅值變化很小。詳細考察了波谷dip 1的峰值波長λ1隨P的變化情況,對測得的數(shù)據(jù)進行線性擬合,圖10為擬合結(jié)果,線性度為99.52 %,說明λ1與P之間存在極好的線性變化關系。從圖中可以看到,當P從0～0.5 MPa時,λ1漂移了2.4 nm,λ1變化很大,說明傳感器的氣壓靈敏度較高。從圖10擬合的直線斜率,可以得到傳感器的氣壓靈敏度為-4.457 nm/MPa,這個值與理論計算靈敏度相近,比其他結(jié)構的光纖氣壓傳感器靈敏度高[7-8]。當利用氣泵給氣室進行線性減壓時,傳感器也能夠得到與圖10相同的線性關系曲線。

圖9 傳感器隨氣壓變化的反射譜Fig.9 Reflection spectra of the sensor under different pressures

圖10 波谷dip 1的中心波長與氣壓之間的線性擬合Fig.10 Linear fitting between the wavelength of dip 1 and pressure

3.2 溫度實驗

對于光纖氣壓傳感器而言,溫度串擾是必須要考慮的問題。圖11為溫度實驗裝置圖。溫度實驗采用管式爐進行,探針放置在爐管中央穩(wěn)定的溫度場中,溫度從40 ℃開始加熱到95 ℃結(jié)束,每間隔5 ℃記錄一次傳感器的反射光譜。溫度實驗在正常大氣壓下進行。

圖11 傳感器的溫度實驗裝置圖Fig.11 Experimental setup for temperature measurement

實驗仍然選取傳感器反射譜的波谷dip 1為觀測點,光譜儀記錄的傳感器光譜變化情況如圖12所示。從圖中可以看到,溫度在45～75 ℃階段,波谷dip 1的峰值波長有較明顯的向短波長方向漂移(藍移)；在75 ℃以后,波谷的峰值波長基本不再漂移。對圖12所得數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn),在整個變化區(qū)域內(nèi)不能完全用線性函數(shù)擬合,無法找出溫度與波谷dip 1峰值波長的確定變化關系,因此無法用該傳感器對溫度進行測量,但可以分析溫度變化對氣壓測量的影響。在圖12中對溫度40～75 ℃段數(shù)據(jù)進行擬合,線性擬合度為98.62 %,得到溫度靈敏度-118.8 pm/℃；而當溫度升溫到75 ℃以后,傳感器對溫度變化不再敏感。當進行降溫實驗時,能夠得到相同的變化趨勢。

圖12 傳感器反射譜隨溫度升高的變化曲線Fig.12 Reflection spectra of the sensor under different temperatures

3.3 實驗結(jié)果分析

圖13 波谷dip 1的峰值波長隨溫度升高的變化關系Fig.13 Linear fitting between the wavelength of dip 1 and temperature

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于F-P干涉儀的高靈敏度氣壓探針傳感器。傳感頭是利用毛細管與PVA薄膜構成,當外界氣壓變化時,PVA膜向內(nèi)膨脹,改變了F-P干涉儀腔長,通過分析干涉儀的光譜變化從而實現(xiàn)了氣壓的測量。制作的傳感頭尺寸極小,在室溫下獲得了較高的氣壓靈敏度。在大氣壓下,研究了溫度變化對氣壓測量的串擾問題,結(jié)果表明在低溫時傳感器存在一定的溫度交叉敏感,在溫度較高時傳感器對溫度不敏感。由于毛細石英管端面鍍的PVA薄膜不能承受特別高的氣壓,因此設計的氣壓傳感器測量的氣壓有一定范圍值?？傊?設計的氣壓探針傳感器具有體積小、靈敏度高、溫度串擾小等優(yōu)點,在工業(yè)氣壓測量中有一定的應用價值。