[發明專利]基于飛秒激光刻蝕的藍寶石光纖法珀傳感器制作方法

有效

• 申請號: 201811315399.7
• 申請日: 2018-11-06
• 公開（公告）號: CN109596243B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 劉鐵根;王雙;江俊峰;于迅;劉琨;張學智;吳志洋;王潤東
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;B23K26/362
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

1.一種基于飛秒激光刻蝕的藍寶石光纖法珀傳感器的制作方法，該傳感器結構包括藍寶石光纖（1）、石英光纖（5）及連接這兩種光纖的異質光纖熔接點（6），所述藍寶石光纖（1）尾端具有通過飛秒激光刻蝕加工的法珀微腔（2），法珀微腔（2）所具有的第一反射面（3）和第二反射面（4）產生的兩束反射光發生干涉且產生干涉信號（11）；當所處的環境溫度發生變化時，所述法珀微腔（2）的腔長和材料折射率發生變化，兩束反射光之間的光程差隨之發生變化，從而導致干涉信號（11）的變化；通過解調干涉信號得到法珀光程差，進而得到被測溫度；其特征在于，該制作方法具體包括以下步驟：

步驟一、制備雙端面拋光的藍寶石光纖作為傳感器材料，具體操作包括：

將直徑為100微米的藍寶石光纖截成15厘米長的一段通過光纖研磨機紡錘固定，將其中的一端露出固定陶瓷插芯端面0.2至0.5毫米，調節光纖研磨機紡錘中軸與研磨盤角度呈90°垂直；在對其拋光之前，選擇10um精細度的金剛石研磨紙對光纖端面做定型加工：先用水將研磨盤打濕，將研磨紙旋轉吸附到研磨盤上；檢查研磨紙與研磨盤之間的貼合度，平整無氣泡后進行加工；將研磨機紡錘通過五維位移角度調整架升降控制到光纖端面貼合到研磨紙上，但陶瓷插芯與研磨紙無接觸，打開研磨機轉盤開關，調整轉速為50轉/分鐘，對光纖端面進行第一次加工；粗略打磨光纖端面至平整，然后在顯微鏡下觀察光纖端面，發現端面呈近圓六邊形、表面光滑無缺陷即可；依次將拋光紙換成7μm、3μm、1μm，對光纖端面進行拋光操作，步驟同上；完成研磨定型后，最后要對光纖端面進行高精度的拋光打磨，將研磨紙換成精細度為0.3μm的金剛石拋光紙，研磨過程中對光纖與研磨紙接觸處噴清潔水，保持濕潤，調節轉速為30轉/分鐘，研磨15分鐘；

步驟二、利用異質光纖熔接技術構造傳感器系統，也就是將雙端面拋光的藍寶石光纖的一端與石英光纖通過光纖熔接機進行手動熔接，構成一個完整的傳輸波導，具體操作包括：

將石英光纖用光纖切割刀切平端面，在光纖熔接機顯微鏡下，調節石英光纖端面與藍寶石光纖端面至同軸，端面間距離控制在10-20μm，設置熔接機光纖夾持電機的前進距離為30-35μm，進行異質光纖熔接；熔接完畢后，石英光纖一端通過光纖跳線與光纖耦合器連接，耦合器的輸入端連接到LED光源上，接收端連接到微型光譜儀；

步驟三、進行飛秒激光器校準及藍寶石光纖法珀微腔刻蝕，具體操作包括：

將藍寶石光纖固定在一片清潔的載玻片上，載玻片固定到飛秒激光加工平臺上，加工工序包括：首先調節飛秒激光器光路準直，測試飛秒激光器加工精度，選取加工焦面；控制加工平臺，使飛秒激光器聚焦物鏡的焦點落在載玻片靠近物鏡的外表面上，在同光路可見光顯微鏡上觀察到載玻片表面清晰像，證明焦點對準；水平、豎直方向移動加工平臺，直至像面均清晰證明加工平臺調垂直完成，載玻片外表面與飛秒激光器聚焦物鏡焦面重合，飛秒激光器開機，重復頻率選用500KHz、功率選擇4W、開機時間選擇100ms，對樣片進行試加工；關機，觀察樣片表面：如果載玻片外表面被加工出一個直徑10-20μm的黑色小孔，說明加工焦點位置選擇正確；如果加工孔直徑過大，或者樣片上沒有出現灼燒的黑孔，說明還需要重新微調位置尋找焦面；完成調焦后，飛秒激光器聚焦到載玻片表面上；這時控制電控位移臺移動，由剛才的空白載玻片位置位移到夾持的藍寶石光纖端面處，調整位置對中放置；移動后，飛秒激光器焦點仍然對準在載玻片外表面上，在物鏡與載玻片之間為待加工的藍寶石光纖，調節電控位移臺，使樣片垂直后退一個藍寶石光纖直徑的距離，待顯微鏡下樣片不再震動時，微調位置至顯微鏡下呈現的像清晰；此時藍寶石光纖最靠近物鏡位置處為一條亮線，加工焦距對準在藍寶石光纖最外緣的邊上；打開飛秒激光器，設置飛秒激光器重復頻率為500kHz，功率設置為2W，開始加工藍寶石光纖法珀傳感器，設置加工平臺按程序豎直位移，光纖在經過焦點時被加工出條棱，重復加工條棱，每個條棱的寬度由光斑直徑決定；加工出一個條棱后，水平移動加工平臺，繼續加工，完成70μm寬度的淺槽加工；然后垂直推進5μm，重復上述加工工序；依次深入推進，直至加工深度達到50μm，至此，藍寶石光纖法珀傳感器雛形已經加工完畢，接下來，對光纖精密刻蝕加工切除半個圓柱后剩下的截面，也就是第一反射面進行拋光處理；藍寶石光纖調整旋轉90°，端面法線方向與飛秒激光器出射光方向平行，調節加工平臺，將待拋光的第二反射面移動到飛秒激光器焦面處，打開飛秒激光器，設置飛秒激光器重復頻率為50MHz，功率設置為2W，對加工出來的第二反射面進行拋光，將傳感器通過光纖跳線連接到解調系統上，觀察信號變化，直至信號光譜出現干涉條紋，停止加工，傳感器制作完畢。