本發(fā)明屬于光纖光學(xué)和傳感器領(lǐng)域，涉及一種光纖法布里-珀羅傳感器的加工方法，具體涉及一種基于飛秒激光直寫的光纖法布里-珀羅傳感器的快速制備方法。

背景技術(shù)：

光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、防水、抗化學(xué)腐蝕、兼具測(cè)量傳感和信息傳輸功能等優(yōu)點(diǎn)，在溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等參量的測(cè)量中具有廣泛的應(yīng)用潛力。在各種類型的光纖傳感器中，目前精度最高的是干涉型光纖傳感器。其中法布里-珀羅傳感器因只用一根光纖且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動(dòng)態(tài)范圍大，在生物醫(yī)學(xué)、磁場(chǎng)、微機(jī)電系統(tǒng)中受到廣泛的關(guān)注。

光纖法布里-珀羅(F-P)傳感器主要包括兩類：一類是利用光纖和一個(gè)具有反射面的非光纖元件組成的非本征型結(jié)構(gòu)；一類是利用光纖和另一段光纖構(gòu)成的本征型結(jié)構(gòu)。本征型光纖F-P傳感器的一種加工方法是光纖兩端面蒸鍍反射介質(zhì)膜，通過對(duì)接或者封裝連接起來。由于光纖直徑在微米量級(jí)，鍍膜難度大，對(duì)接時(shí)需要精確地控制鍍膜光纖和連接光纖的對(duì)準(zhǔn)以減小耦合損失，因此這種方法操作難度較大。利用紫外或者飛秒激光輻照形成一折射率臺(tái)階也可以形成F-P光纖傳感器。此外還可以在光纖中加工出一段空氣微腔，微腔的兩個(gè)端面構(gòu)成F-P結(jié)構(gòu)。微腔的加工方法主要有化學(xué)腐蝕法和微納加工技術(shù)直接刻蝕法。前者采用化學(xué)腐蝕的方法在一段光纖的端面腐蝕出微槽，然后與另一段光纖熔接或者對(duì)接在一起構(gòu)成微腔。微納加工技術(shù)直接刻蝕的方法為采用離子銑或者飛秒激光等微納加工技術(shù)在光纖中直接刻蝕。利用飛秒激光刻蝕微腔結(jié)構(gòu)的F-P傳感器要求空腔內(nèi)壁必須非常光滑，以減小散射損耗，因此要求加工速度非常低。由于F-P干涉儀結(jié)構(gòu)的干涉光譜精細(xì)度與腔長成反比，另外為了便于F-P傳感器的信號(hào)解調(diào)，微腔結(jié)構(gòu)在軸向長度通常在15μm以上。采用微納加工技術(shù)必須多次掃描以形成足夠長的微腔。最近有報(bào)道利用飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿的加工方法在距離光纖端面不遠(yuǎn)處刻蝕一個(gè)通孔，利用光纖光滑的反射面和該通孔構(gòu)成F-P傳感器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)相對(duì)加工微腔需要去除的光纖區(qū)域相對(duì)減小。為了提高反射率，進(jìn)一步的利用電弧放電對(duì)微孔進(jìn)行了光滑。然而為了制備出光滑且貫穿的通孔，制備時(shí)通常認(rèn)為要采用盡可能低的掃描速率，例如對(duì)1kHz飛秒激光，掃描速率在2μm/s左右。深度上掃描范圍接近光纖直徑，約百μm左右，制備時(shí)間在50s以上。以上光纖F-P傳感器的制備方法均比較復(fù)雜。采用飛秒激光加工F-P的方法，對(duì)于微腔式或者通孔式F-P結(jié)構(gòu)，通常認(rèn)為采用慢的加工速度以獲得盡可能光滑的內(nèi)壁及貫穿結(jié)構(gòu)。由于加工區(qū)域相對(duì)較大，加工時(shí)間長。另外由于纖芯區(qū)域破壞面積達(dá)，損耗較大，尤其是空氣微腔結(jié)構(gòu)的F-P光纖傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于飛秒激光直寫的光纖法布里-珀羅傳感器的快速制備方法，該方法采用飛秒激光快速掃描的方式制備出狹槽，使光纖末端和狹槽端面構(gòu)成法布里-珀羅(F-P)傳感器結(jié)構(gòu)，該方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，加工速度快，加工工序更為簡單，適合批量加工。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于飛秒激光直寫的光纖法布里-珀羅傳感器的快速制備方法，其步驟為：在具有光滑端面的光纖末端，利用飛秒激光沿垂直光纖軸線的方向快速掃描，加工出深度到達(dá)光纖纖芯位置的狹槽，由狹槽端面和光纖末端的光滑端面構(gòu)成法布里-珀羅傳感器結(jié)構(gòu)；其中快速掃描是指對(duì)于1kHz的飛秒激光脈沖，其掃描速度在50μm/s以上。

所述的基于飛秒激光直寫的光纖法布里-珀羅傳感器的快速制備方法，其具體步驟為：

1)利用切割刀在光纖末端垂直于光纖軸切割出光滑端面；

2)將光纖末端固定，在空氣氛圍中利用飛秒激光沿垂直于光纖軸的方向橫向快速掃描，切割出狹槽，狹槽的深度到達(dá)光纖纖芯位置；其中快速掃描是指對(duì)于1kHz的飛秒激光脈沖，其掃描速度在50μm/s以上；

3)將掃描后的光纖清洗干凈，由狹槽端面和光纖末端的光滑端面構(gòu)成法布里-珀羅傳感器結(jié)構(gòu)。

所述的狹槽的長度為光纖纖芯直徑的2～9倍，狹槽在纖芯處的寬度小于5μm。

所述的飛秒激光的掃描次數(shù)為單次或者兩次。

所述步驟3)中依次用酒精、丙酮、去離子水清洗光纖。

所述步驟3)中在清洗完光纖后，在光纖末端的光滑端面上鍍一層高反射膜提高反射率。

所述的高反射膜包括鋁膜和銀膜，采用蒸鍍或者濺射方法進(jìn)行鍍膜。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的基于飛秒激光直寫的光纖法布里-珀羅傳感器的快速制備方法，采用飛秒激光快速掃描即飛秒激光直寫的方式制備出狹槽，使光纖末端和狹槽端面構(gòu)成法布里-珀羅(F-P)傳感器結(jié)構(gòu)。該方法不同于傳統(tǒng)利用飛秒激光加工技術(shù)制備微腔或者通孔時(shí)應(yīng)采用慢速加工的方法，而是采用快速掃描，其加工效率非常高，對(duì)于1kHz飛秒激光，其掃描速度在50μm/s以上，加工時(shí)間小于1s，并且加工過程在顯微鏡下進(jìn)行，可將加工F-P腔長的長度精度控制在幾個(gè)微米以內(nèi)，相對(duì)于腐蝕方法，其加工精度高，結(jié)果可控性強(qiáng)。同時(shí)本發(fā)明采用的飛秒激光快速掃描法對(duì)于任何種類的光纖都適用，加工效率高，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。在應(yīng)用中，不鍍膜時(shí)可滿足1000℃以內(nèi)的溫度傳感測(cè)量的需求，可在很寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高線性的溫度傳感。該方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，操作簡單，加工速度快，加工工序更為簡單，適合批量加工。

進(jìn)一步的，現(xiàn)有技術(shù)中通過化學(xué)腐蝕等方法制備F-P腔傳感需要加工在光纖軸向長度15μm以上的微腔結(jié)構(gòu)，而本發(fā)明加工出的狹槽在纖芯處的寬度小于5μm，因此本發(fā)明制得的F-P光纖傳感器的機(jī)械性能更好。同時(shí)在飛秒激光快速掃描的過程中，飛秒激光切割狹槽的深度由激光能量和掃描速度決定，加工參數(shù)窗口寬，掃描次數(shù)為單次或者2次，不需要很多次重復(fù)掃描。另外本發(fā)明中還可以通過鍍膜提高F-P光纖傳感器的反射率，可以采用蒸鍍或者濺射方法對(duì)光纖端面進(jìn)行鍍膜，能夠進(jìn)行批量操作，提高生產(chǎn)效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中采用的加工裝置圖；

圖2是本發(fā)明中采用的溫度傳感實(shí)驗(yàn)的裝置圖；

圖3是本發(fā)明在加工光纖時(shí)的示意圖；

圖4是本發(fā)明在加工過程中飛秒激光掃描后狹槽的側(cè)面和頂面的光學(xué)顯微鏡圖；

圖5是實(shí)施例1制得的F-P傳感器在1525nm-1570nm范圍內(nèi)的干涉譜；

圖6是實(shí)施例1制得的F-P傳感器在不同溫度下干涉譜的變化情況；

圖7是實(shí)施例1制得的F-P傳感器在200℃-1100℃內(nèi)波長偏移量隨溫度變化的擬合結(jié)果；

圖8是本發(fā)明中在光纖端面鍍膜采用的裝置示意圖；

圖9是實(shí)施例2制得的F-P傳感器干涉譜與實(shí)施例1制得的F-P傳感器干涉譜對(duì)比圖；

圖10是實(shí)施例2制得的F-P傳感器在20℃-200℃內(nèi)波長偏移量與溫度變化的擬合結(jié)果。

其中，1為光纖；2為顯微物鏡；3為飛秒激光；4為CCD；5為三維電動(dòng)平移臺(tái)；6為計(jì)算機(jī)；7為寬帶光源；8為光譜分析儀；9為光纖環(huán)形器，10為光纖跳線；11為光纖F-P傳感器束，12為真空蒸鍍腔，13為光纖樣品夾具。

具體實(shí)施方式

為了更好的說明本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合具體實(shí)施例并參考附圖對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及操作過程進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供了一種基于飛秒激光直寫的光纖法布里-珀羅傳感器的快速制備方法，該方法采用飛秒激光快速掃描的方式制備出狹槽，使光纖末端和狹槽端面構(gòu)成F-P傳感器結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步可通過在光纖末端面鍍膜提高F-P傳感器的反射率。其具體步驟如下：

(1)利用切割刀在光纖末端垂直于光纖軸切割出光滑端面。(光滑端面的制備也可以采用其它加工方法，不僅限于切割刀切割。)

(2)將光纖末端固定，在空氣氛圍中利用飛秒激光沿垂直于光纖軸方向橫向快速掃描，切割出狹槽，狹槽深度到達(dá)纖芯位置附近，長度為光纖纖芯直徑的2～9倍，狹槽在纖芯處的寬度小于5μm；

(3)將掃描后的光纖依次在酒精、丙酮中、去離子水中清洗；

(4)進(jìn)一步的，在光纖末端面鍍高反射膜，以提高干涉儀反射率，其中高反射膜包括鋁膜、銀膜等金屬膜或者其它介質(zhì)膜。采用蒸鍍或者濺射方法對(duì)光纖端面進(jìn)行鍍膜，可進(jìn)行批量操作。(反射膜材料和鍍膜方法不僅限于上述材料和方法。)

所述的光纖可以為任何種類的光纖，可以為石英或其它光纖。該方法掃描速度快，對(duì)于1kHz飛秒激光脈沖掃描速度在50μm/s以上，加工時(shí)間小于1s。該方法中飛秒激光在光纖中掃描出的狹槽深度在纖芯附近，飛秒激光切割狹槽的深度由激光能量和掃描速度決定，加工參數(shù)窗口寬。該方法中飛秒激光的掃描次數(shù)為單次或者2次，不需要很多次重復(fù)掃描。

圖1為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法所采用的一種加工裝置示意圖，該加工裝置由顯微物鏡2、三維電動(dòng)平移臺(tái)5、計(jì)算機(jī)6、飛秒激光3組成，其中光纖1放置在三維電動(dòng)平移臺(tái)5上，計(jì)算機(jī)6與三維電動(dòng)平移臺(tái)5以及設(shè)置在顯微物鏡2上方的CCD4連接，飛秒激光3經(jīng)顯微物鏡2聚焦后照射在光纖1上。

圖2為本發(fā)明對(duì)制得的F-P傳感器進(jìn)行溫度傳感測(cè)量時(shí)采用的測(cè)量裝置示意圖。該測(cè)量裝置中寬帶光源7發(fā)出光信號(hào)通過光纖跳線10進(jìn)入光纖環(huán)形器9再經(jīng)過光纖F-P傳感器束11反射，反射光經(jīng)過光纖環(huán)形器9進(jìn)入光譜分析儀8，最后光譜分析儀將收集的反射光譜數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)6。

利用圖1、圖2所示的裝置，下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的兩個(gè)具體的實(shí)施例：

實(shí)施例1

本實(shí)施例以加工高溫F-P溫度傳感器為例，具體如下：

原始材料：Corning SMF-28單模光纖，包層直徑125μm，纖芯直徑8μm。

高溫F-P光纖傳感器的制備步驟及詳細(xì)實(shí)施方式具體闡述如下：

(1)將光纖1端面去掉涂覆層，使用沾有酒精的無塵紙清洗干凈。利用切割刀在光纖末端垂直于光纖軸切割出光滑端面；

(2)將光纖1末端固定于三維電動(dòng)平移臺(tái)5上，如圖3所示，飛秒激光3脈沖寬度為50fs，功率設(shè)定為2mW。選擇20×、數(shù)值孔徑0.45的顯微物鏡2，使飛秒激光3通過顯微物鏡2聚焦在光纖1頂部，三維電動(dòng)平移臺(tái)5的掃描速率為100μm/s。在空氣氛圍中利用飛秒激光沿垂直于光纖軸方向橫向快速掃描60μm，切割出狹槽；

(3)將掃描后的光纖依次在酒精、丙酮中、去離子水中清洗，即得到F-P光纖傳感器。

圖4為實(shí)施例1加工的F-P光纖傳感器側(cè)面和頂面的光學(xué)顯微鏡圖。從圖4中可以看出，狹槽深度已經(jīng)到纖芯。將實(shí)施例1制備的光纖F-P傳感器連接至溫度傳感測(cè)試裝置，如圖2所示，測(cè)量得到的反射光譜如圖5所示，可以看到該傳感器的反射光譜干涉對(duì)比度可達(dá)10dB。將實(shí)施例1制備的光纖傳感器放置于高溫爐中，從200℃升溫到1100℃測(cè)量其反射譜的變化。圖6給出了F-P傳感器波長隨溫度的偏移情況，從圖6中可以看出隨著溫度的升高波長向長波方向移動(dòng)，而干涉條紋的對(duì)比度保持不變。對(duì)特定干涉峰隨溫度升高波長的偏移情況做出了擬合，結(jié)果如圖7所示，從圖7中可以看出此F-P光纖傳感器的波長漂移量隨溫度的升高線性增大，溫度靈敏度為15.47pm/℃，擬合線性度達(dá)0.998。

實(shí)施例2

本實(shí)施例以加工高溫F-P溫度傳感器為例，并對(duì)其進(jìn)行鍍膜以提高反射率，具體如下：

原始材料：Corning SMF-28單模光纖，包層直徑125μm，纖芯直徑8μm。

高溫F-P光纖傳感器的制備步驟及詳細(xì)實(shí)施方式具體闡述如下：

(1)將光纖1端面去掉涂覆層，使用沾有酒精的無塵紙清洗干凈。利用切割刀在光纖末端垂直于光纖軸切割出光滑端面；

(2)將光纖1末端固定于三維電動(dòng)平移臺(tái)5上，如圖3所示，飛秒激光3脈沖寬度為50fs，功率設(shè)定為2mW。選擇20×、數(shù)值孔徑0.45的顯微物鏡2，使飛秒激光3通過顯微物鏡2聚焦在光纖1頂部，三維電動(dòng)平移臺(tái)5的掃描速率為100μm/s。在空氣氛圍中利用飛秒激光沿垂直于光纖軸方向橫向快速掃描60μm，切割出狹槽；

(3)將掃描后的光纖依次在酒精、丙酮中、去離子水中清洗；。

(4)對(duì)掃描后的光纖末端面鍍鋁膜，得到鍍膜后的F-P傳感器。其中鍍膜時(shí)使用的相關(guān)裝置參考圖8，鍍膜過程在真空蒸鍍腔12中進(jìn)行，真空蒸鍍腔12的上部設(shè)有光纖樣品夾具13，光纖樣品夾具13夾住光纖F-P傳感器束11并使其端面朝下，真空蒸鍍腔12的下部設(shè)有金屬蒸發(fā)源進(jìn)行鍍膜，鍍膜時(shí)間為10min，鍍膜速率為1nm/s，鍍膜厚度為600nm。

實(shí)施例2加工完成的F-P傳感器反射譜測(cè)量方法與實(shí)施例1相同，結(jié)果如圖9所示，圖9中上方的曲線為實(shí)施例2加工的鍍膜的F-P傳感器的反射譜，下方的曲線為實(shí)施例1加工的未鍍膜的F-P傳感器的反射譜，從圖9中可以看出，與未鍍膜的F-P傳感器相比，鍍膜后F-P傳感器的反射率明顯提高，約為25％，而未鍍膜的F-P傳感器的反射率約為4％，鍍膜后的F-P傳感器的反射率約為未鍍膜時(shí)的6倍。將實(shí)施例2制得的鍍膜F-P傳感器置于恒溫控制箱體內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度從20℃升高到200℃，每隔20℃監(jiān)測(cè)反射光譜變化，結(jié)果如圖10所示，可以看出其反射光譜波長隨著溫度升高而升高，另外從圖10中的波長隨溫度偏移擬合曲線可以看出鍍膜并沒有影響F-P傳感器波長偏移量隨溫度的線性變化規(guī)律，該傳感器的溫度靈敏度達(dá)11.52pm/℃。

通過上述實(shí)施例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本發(fā)明提供的基于飛秒激光直寫的光纖法布里-珀羅傳感器的快速制備方法，不同于傳統(tǒng)利用飛秒激光加工技術(shù)制備微腔或者通孔時(shí)應(yīng)采用慢速加工的方法，而是采用快速掃描，其加工效率非常高，對(duì)于1kHz飛秒激光，其掃描速度在50μm/s以上，加工時(shí)間小于1s，在飛秒激光快速掃描的過程中，飛秒激光切割狹槽的深度由激光能量和掃描速度決定，加工參數(shù)窗口寬，掃描次數(shù)為單次或者2次，不需要很多次重復(fù)掃描。另外加工過程在顯微鏡下進(jìn)行，相對(duì)于腐蝕方法，其加工精度高，結(jié)果可控性強(qiáng)。相比于化學(xué)腐蝕等方法制備F-P腔傳感需要加工在光纖軸向長度15μm以上的微腔結(jié)構(gòu)，本發(fā)明加工出的狹槽在纖芯處的寬度小于5μm，因此本發(fā)明制得的F-P光纖傳感器的機(jī)械性能更好。另外本發(fā)明中還可以通過鍍膜提高F-P光纖傳感器的反射率，可以采用蒸鍍或者濺射方法對(duì)光纖端面進(jìn)行鍍膜，能夠進(jìn)行批量操作，提高生產(chǎn)效率。本發(fā)明采用的飛秒激光快速掃描法對(duì)于任何種類的光纖都適用，加工效率高，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。在應(yīng)用中，不鍍膜時(shí)可滿足1000℃以內(nèi)的溫度傳感測(cè)量的需求，可在很寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高線性的溫度傳感。該方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，操作簡單，加工速度快，加工工序更為簡單，適合批量加工。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變換，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。