超高压力灵敏度的光纤微型F-P腔

摘要：基于法布里-珀罗（Fabry-Perot,F-P）腔的干涉原理，提出了一种新型超高压力灵敏度的可压缩光纤微型F-P腔。该压力传感器的FP腔是将单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）与石英管熔接后浸入水中在SMF端面处形成的空气泡来构成，其压力灵敏度大于1000nm/kPa。该光纤微型F-P腔在高灵敏度压力测量和水声传感方面有着潜在的的应用价值。

0　引言

基于F-P腔的光纤压力传感器以其高可靠性、高灵敏度、耐恶劣环境、抗电磁干扰、低温度交叉敏感等特点广泛应用在压力、应变、位移等物理量的测量。光纤F-P干涉仪的制作方法较多，如镀膜法、紫外曝光法、熔接法、腐蚀法、激光加工法等。传统的F-P光纤传感器是利用热熔的方法将镀反射膜的光纤与两根单模光纤（SMF）熔接在一起，其成本较高、且腔镜会引起高反射损耗；近年来也出现了利用光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）与单模光纤熔接构成的F-P腔，其熔接技术要求较高、压力响应灵敏度也有待提高。另外还有基于弹性膜片设计的微型F-P光纤压力传感器，它通常是在光纤端面采用对压力敏感的膜片，如融石英、聚合物、银、石墨烯等。当膜片随着压力的变化产生位移时，F-P腔的腔长也随之发生变化，其压力灵敏度取决于所采用薄膜的尺寸和制造工艺。如当采用直径为125的镀银膜片时压力灵敏度为70.5nm/kPa，直径为25μm的弹性石墨烯薄膜压力灵敏度却为39.4nm/kPa，由此可见传感器探头的尺寸大小限制了其压力灵敏度。

本文在此基础上提出了一种无膜片的新型光纤F-P腔压力传感器，其压力灵敏度大于1000nm/kPa。

1　可压缩光纤FP腔传感器工作原理

本文提出了一种无膜片的新型光纤F-P腔压力传感器的制作方法是将SMF与石英管熔接并浸入液体中，如图1（a）所示，此时由于毛细管效应会在SMF端面产生气泡。空气-液体、空气-SMF两个端面构成F-P腔，腔长随外界压力而变化。腔内的空气视为理想气体,用理想气体定律来表示：

图1　可压缩光纤微腔FP干涉仪（a）原理图（b）水环境中的显微照片

其中P、V、T分别是腔内的压强、体积、体系温度（单位为K），n为气体的物质的量，R为比例常数。腔内气体当作圆柱体来处理，在常压下初始长度为L0，直径为D（与石英管的内径相同），体积为V=D2L/4。在等温条件下将体积V代入方程（1）推导出压力灵敏度：

L为压强P下的腔长，P0=1 bar是标准压强。由方程式（2）可知压力灵敏度只取决于初始腔长和所施加的压强，与石英管的内径无关。假定初始腔长L0= 100μm，在标准压强下该装置的压力灵敏度为-1000 nm/kPa，若增大压强至5 bar时灵敏度也可达到-40 nm/kPa。

2　实验和分析

实验中采用的是内径/外径为75/127μm的石英管。由于毛细管效应会形成封闭的F-P腔，其中石英管和F-P腔的长度分别为114μm、90μm，如图1（b）所示。在常压下初始腔长L0可通过精密切割来控制。图2是L0为44.7μm、96.8μm、142.2μm，对应的石英管长度为57μm、116μm、151μm的反射谱。从图中我们可以看到条纹可见度均大于15dB，并且条纹可见度随L0的增加而减小，当L0大于300μm时条纹可见度不到1dB。

同时我们还测试了不同压强下的反射谱，如图3（a）是L0=411μm分别在压强1.5 bar、3.0 bar、5.0 bar下的反射谱，可看到压强增大时条纹可见度也随之增大。图3（b）所示为在不同压强下的腔长和自由光谱范围（Free Spectral Range，FSR）。在压强介于1.0 bar～1.5 bar时平均压力灵敏度为3.04 μm/kP，它比之前报道的灵敏度最高的基于膜片设计的光纤压力传感器高出接近两个数量级。同样增大L0也可提高灵敏度，如图3（b）所示L0=1063μm，在1.0 bar～1.3 bar压强间压力灵敏度为6.9 μm/kPa；当压强介于9.0 bar～10 bar时灵敏度高达161 nm/kPa。

从图中得到压力灵敏度随压强非线性变化，但干涉条纹的FSR却呈现线性变化。根据公式FSR=λ2/2L和方程（1），可得到在等温下FSR对压强变化的灵敏度为：

本系统虽然可达到高压力灵敏度，但仍然存在一些不足，如空气泡的稳定性、在较长腔长下条纹可见度较小。

3　结论

本文提出了一种高灵敏度的可压缩光纤微型F-P腔。将与SMF熔接的石英管浸入水中时会产生空气泡，这个空气泡就构成了微型F-P腔。该F-P腔可通过外界压强的改变进行压缩，常压下其灵敏度大于1000 nm/kPa。这种可压缩光微型纤F-P腔有望在高灵敏度压力测量和水声传感方面有广泛应用。

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

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.

超高压力灵敏度的光纤微型F-P腔

0 引言

1 可压缩光纤FP腔传感器工作原理

2 实验和分析

3 结论

0　引言

1　可压缩光纤FP腔传感器工作原理

2　实验和分析

3　结论