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超高壓力靈敏度的光纖微型F-P腔

付彩玲,夏巨江

（武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢,430205）

摘要：基于法布里-珀羅（Fabry-Perot,F-P）腔的干涉原理，提出了一種新型超高壓力靈敏度的可壓縮光纖微型F-P腔。該壓力傳感器的FP腔是將單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）與石英管熔接后浸入水中在SMF端面處形成的空氣泡來構(gòu)成，其壓力靈敏度大于1000nm/kPa。該光纖微型F-P腔在高靈敏度壓力測量和水聲傳感方面有著潛在的的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：F-P腔；壓力靈敏度；光纖傳感器

0　引言

基于F-P腔的光纖壓力傳感器以其高可靠性、高靈敏度、耐惡劣環(huán)境、抗電磁干擾、低溫度交叉敏感等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在壓力、應(yīng)變、位移等物理量的測量。光纖F-P干涉儀的制作方法較多，如鍍膜法、紫外曝光法、熔接法、腐蝕法、激光加工法等。傳統(tǒng)的F-P光纖傳感器是利用熱熔的方法將鍍反射膜的光纖與兩根單模光纖（SMF）熔接在一起，其成本較高、且腔鏡會引起高反射損耗；近年來也出現(xiàn)了利用光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）與單模光纖熔接構(gòu)成的F-P腔，其熔接技術(shù)要求較高、壓力響應(yīng)靈敏度也有待提高。另外還有基于彈性膜片設(shè)計的微型F-P光纖壓力傳感器，它通常是在光纖端面采用對壓力敏感的膜片，如融石英、聚合物、銀、石墨烯等。當(dāng)膜片隨著壓力的變化產(chǎn)生位移時，F(xiàn)-P腔的腔長也隨之發(fā)生變化，其壓力靈敏度取決于所采用薄膜的尺寸和制造工藝。如當(dāng)采用直徑為125的鍍銀膜片時壓力靈敏度為70.5nm/kPa，直徑為25μm的彈性石墨烯薄膜壓力靈敏度卻為39.4nm/kPa，由此可見傳感器探頭的尺寸大小限制了其壓力靈敏度。

本文在此基礎(chǔ)上提出了一種無膜片的新型光纖F-P腔壓力傳感器，其壓力靈敏度大于1000nm/kPa。

1　可壓縮光纖FP腔傳感器工作原理

本文提出了一種無膜片的新型光纖F-P腔壓力傳感器的制作方法是將SMF與石英管熔接并浸入液體中，如圖1（a）所示，此時由于毛細(xì)管效應(yīng)會在SMF端面產(chǎn)生氣泡。空氣-液體、空氣-SMF兩個端面構(gòu)成F-P腔，腔長隨外界壓力而變化。腔內(nèi)的空氣視為理想氣體,用理想氣體定律來表示：

圖1　可壓縮光纖微腔FP干涉儀（a）原理圖（b）水環(huán)境中的顯微照片

其中P、V、T分別是腔內(nèi)的壓強(qiáng)、體積、體系溫度（單位為K），n為氣體的物質(zhì)的量，R為比例常數(shù)。腔內(nèi)氣體當(dāng)作圓柱體來處理，在常壓下初始長度為L0，直徑為D（與石英管的內(nèi)徑相同），體積為V=D2L/4。在等溫條件下將體積V代入方程（1）推導(dǎo)出壓力靈敏度：

L為壓強(qiáng)P下的腔長，P0=1 bar是標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)。由方程式（2）可知壓力靈敏度只取決于初始腔長和所施加的壓強(qiáng)，與石英管的內(nèi)徑無關(guān)。假定初始腔長L0= 100μm，在標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)下該裝置的壓力靈敏度為-1000 nm/kPa，若增大壓強(qiáng)至5 bar時靈敏度也可達(dá)到-40 nm/kPa。

2　實(shí)驗(yàn)和分析

實(shí)驗(yàn)中采用的是內(nèi)徑/外徑為75/127μm的石英管。由于毛細(xì)管效應(yīng)會形成封閉的F-P腔，其中石英管和F-P腔的長度分別為114μm、90μm，如圖1（b）所示。在常壓下初始腔長L0可通過精密切割來控制。圖2是L0為44.7μm、96.8μm、142.2μm，對應(yīng)的石英管長度為57μm、116μm、151μm的反射譜。從圖中我們可以看到條紋可見度均大于15dB，并且條紋可見度隨L0的增加而減小，當(dāng)L0大于300μm時條紋可見度不到1dB。

圖2　不同初始腔長的可壓縮FP腔干涉儀反射譜

同時我們還測試了不同壓強(qiáng)下的反射譜，如圖3（a）是L0=411μm分別在壓強(qiáng)1.5 bar、3.0 bar、5.0 bar下的反射譜，可看到壓強(qiáng)增大時條紋可見度也隨之增大。圖3（b）所示為在不同壓強(qiáng)下的腔長和自由光譜范圍（Free Spectral Range，F(xiàn)SR）。在壓強(qiáng)介于1.0 bar～1.5 bar時平均壓力靈敏度為3.04 μm/kP，它比之前報道的靈敏度最高的基于膜片設(shè)計的光纖壓力傳感器高出接近兩個數(shù)量級。同樣增大L0也可提高靈敏度，如圖3（b）所示L0=1063μm，在1.0 bar～1.3 bar壓強(qiáng)間壓力靈敏度為6.9 μm/kPa；當(dāng)壓強(qiáng)介于9.0 bar～10 bar時靈敏度高達(dá)161 nm/kPa。

圖3　可壓縮光纖微腔FP干涉儀在不同氣壓下的

（a） 光譜圖和（b）腔長及自由光譜范圍變化

從圖中得到壓力靈敏度隨壓強(qiáng)非線性變化，但干涉條紋的FSR卻呈現(xiàn)線性變化。根據(jù)公式FSR=λ2/2L和方程（1），可得到在等溫下FSR對壓強(qiáng)變化的靈敏度為：

從該式可以看到該靈敏度只依賴于波長λ。

本系統(tǒng)雖然可達(dá)到高壓力靈敏度，但仍然存在一些不足，如空氣泡的穩(wěn)定性、在較長腔長下條紋可見度較小。

3　結(jié)論

本文提出了一種高靈敏度的可壓縮光纖微型F-P腔。將與SMF熔接的石英管浸入水中時會產(chǎn)生空氣泡，這個空氣泡就構(gòu)成了微型F-P腔。該F-P腔可通過外界壓強(qiáng)的改變進(jìn)行壓縮，常壓下其靈敏度大于1000 nm/kPa。這種可壓縮光微型纖F-P腔有望在高靈敏度壓力測量和水聲傳感方面有廣泛應(yīng)用。

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Fiber optic micro-Fabry-Pérot cavity with ultra-high pressure sensitivity

Fucailing,Xiajujiang

(School of Science, Wuhan Institute of Technology,Wuhan,430205,China)

Abstract：We propose a pressure sensor based on a micro air bubble at the end facet of a single mode fiber spliced with a silica tube.When immersed into liquid such as water,the air bubble acts as a Fabry-Pérot interferometer cavity.The pressure sensitivity is >1000 nm/kPa.The Fabry-Pérot interferometer cavity is expected to have potential applications in highly sensitive pressure and/or acoustic sensing.

Keywords：F-P cavity;pressure sensitivity;optical sensor