[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

本發明公開了一種基于飛秒激光刻蝕的藍寶石光纖法珀傳感器及其制作方法，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。本發明具有理論創新性，尺寸小、環境適應力強的特點，可用于狹窄測量環境下的高溫精確傳感。

技術領域

本發明涉及于光纖傳感技術領域，特別是涉及一種基于飛秒激光精密刻蝕工藝制作的微型化藍寶石光纖高溫傳感器制作。

背景技術

基于藍寶石光纖的高溫傳感技術以其耐氧化、高精度、抗電磁干擾、小型化等特性，在高溫監測領域中發揮著重要作用。

近年來，已經提出了多種類型的藍寶石光纖傳感器來實現極高溫度(1000℃以上)測量，如光纖光柵型、黑體輻射型和光纖法珀型。其中：(1)藍寶石光纖光柵傳感器受限于藍寶石光纖較大的數值孔徑，模式干擾嚴重，測量精度相對其他方法較低。(2)黑體輻射型藍寶石光纖傳感器基于普朗克黑體輻射定律，在高溫區(600-1600℃)具有很好的測溫精度，但是由于低溫段輻射功率顯著降低，在600℃以下信噪比極速衰減，測溫范圍受限，只能用于高溫段的溫度監測。(3)藍寶石光纖法珀傳感器具有極寬的測量范圍，可根據要求靈活設計，采用傳統研磨工藝與激光刻蝕技術制作，可批量生產，成本較低，因此具有廣泛的應用范圍。

由于藍寶石光纖采用晶體生長方式制作，在長度上受限，國際上一般是通過藍寶石光纖與石英光纖熔接的方式來實現遠距離傳感，即高溫區使用藍寶石光纖，常溫區使用石英光纖加長傳輸距離。在異質光纖耦合過程中，為了達到盡可能高的耦合效率，需要對藍寶石光纖和石英光纖端面進行拋光處理以減少熔接點的散射損耗。

發明內容

針對傳統藍寶石光纖傳感器尺寸大、響應速度慢的不足，本發明提出了一種基于飛秒激光刻蝕的藍寶石光纖法珀傳感器制作方法，基于飛秒激光精密刻蝕工藝制作微型化藍寶石光纖高溫傳感器，實現傳感探頭微型、傳感器結構簡潔一體化，對提高傳感器響應速度以及實現復雜環境下溫度的實時監測有重要意義。

本發明的一種基于飛秒激光刻蝕的藍寶石光纖法珀傳感器制作方法，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；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；