藍寶石光纖空氣隙非本征型法布里-珀羅高溫傳感器復用技術研究

劉 琨

（沈陽職業技術學院，沈陽 110045）

0 引言

近10年來，單晶藍寶石光纖傳感器引起了人們的極大的興趣。由于藍寶石具有許多獨特的特性，如高熔點（2040℃），耐化學腐蝕，硬度高，寬的透光光譜范圍[1]，因此，藍寶石傳感器在溫度高達2000℃的環境中不退化。各種傳感器結構，如藍寶石晶片，空氣腔FP傳感器，藍寶石光纖光柵等都已實現。在這些傳感器中，空氣腔FP傳感器具有價格低廉，功能強大，靈敏度和動態范圍可調等優點而備受關注。此外，在線式的空氣腔FP傳感器也非常易于串聯復用進行多點測量。此前研究結果表明，由于藍寶石光纖的大的模場直徑，因此為了獲得加號的條文對比度，對空氣腔長和兩斷面的平行度有很高的要求。最終，這個影響限制了空氣腔傳感器的制作的重復性和可達到的對比度，致使空氣腔傳感器很難復用。

本文中，我們通過采用藍寶石管線拋光技術和氧化鋯準直管來獲得FP傳感器高對比度。這些優點使我們第一次實現了藍寶石光纖傳感器的串聯復用多點溫度測量。此外，由于采用氧化鋯準直管有效地增加了傳感器的長度，空氣隙的FP傳感器表現了比此前膜片式傳感器更加高的靈敏度。

1 實驗裝置及原理

圖1所示為一單點空氣隙高溫FP傳感器結構示意圖。兩根同時拋光的藍寶石光纖[Micro Materials, Inc.; outside diameter (o.d.) 75 um]能夠獲得最好的平行度(ULTRAPOL, 0.5 um polishing film)，然后精確地插入到氧化鋯準直管里[Swiss Jewel, inside diameter (i.d.) 78 um, length 1 cm]來形成FP腔產生干涉條紋。拋光時，將斯根藍寶石光纖放入到一根5cm長內徑239um的氧化鋯毛細管內固定。由于每根光纖最大能夠占據89um的位置，因此，四根光纖端面的家督誤差最大為（89um/5cm）=0.1°。

圖1 空氣腔FP溫度傳感器結構

圖2 不同腔長空氣腔FP傳感器反射光譜

同時，傳感器解調單元用于實時查詢傳感器光程差的變化。當光程差值達到我們需要的數值時，采用高溫陶瓷膠(Cotronics, HP903)將藍寶石光纖同氧化鋯粘結起來。通過控制兩根藍寶石光纖端面間空氣隙的大小來獲得不同的光程差。然后，將傳感器放置于1150℃的電阻爐(Thermolyne 48000)里進行熱退化來增強其穩定性。圖2所示為一空氣隙FP傳感器的反射譜圖。從圖中我們可以看出大的光程差時光譜波動的頻率也會高。我們可以通過對傳感器反射光譜進行快速傅里葉變換來對多個傳感器進行解復用和對單個傳感器的腔長進行測量。溫度變化引起的傳感器空氣腔長的變化的原因是由于氧化鋯準直毛細管和藍寶石光纖的熱脹冷縮效應，

式中，OPD(T)是任意溫度T是的光程差（OPD），OPD(T0)為溫度為T0時的光程差。Cz和Cs分別為氧化鋯準直管和藍寶石光纖的熱膨脹系數。Leff為藍寶石光纖和氧化鋯準直毛細管兩個粘結點之間的有效長度。

三個溫度點串聯復用系統結構示意圖如圖3所示。三個藍寶石空氣腔傳感器串聯在一根藍寶石光纖上，將入射藍寶石光纖熔接到一根100/140um多模石英光纖上。有一個超輻射發光二極管(SLED) (Honeywell, central wavelength 850 nm,FWHM 50 nm)發出的寬譜光通過一個50:50的多模光纖耦合器(Gould Optics)，其中一路入射到三個串聯的傳感器上，其反射光通過耦合器后入射到光譜儀(Ocean Optics, USB2000)中。耦合器的另一端放入匹配液中以消除雜散光。

圖3 多點傳感系統結構示意圖

圖4 三個傳感器的反射譜

圖5 三個傳感器反射譜FFT結果

圖6 傳感器2的標定曲線

2 實驗結果及分析

三個傳感器的光程差分別為47，95，145um，圖4所示為連接有傳感器和沒連接傳感器是光譜儀接收到的光譜。圖5所示為三個傳感器相應的傅里葉變換譜。如圖5所示，三個傳感器的快速傅里葉變換譜對應三個分析的峰值，每一個對應一個傳感器的唯一的光程差。解調時，我們采用快速傅里葉變換和帶通濾波器來選擇每一個傳感器。然后再進行反傅里葉變換，相位展開，線性擬合計算出每個傳感器的光程差。再選擇不同個帶通濾波器重復上述過程，三個傳感器的光程差便都計算出來了。不同于峰值跟蹤方法，這種信號解調方法使用了整個光譜信息，而不是一個或者幾個波長信息來計算光程差，因此，該方法既有極高的精度。詳細的方法介紹見參考文獻[8]。

將傳感器置于測試電阻爐里(Thermolyne 48000)，然后采用表針B型熱電偶(Omega)來標定傳感器。電阻爐內的溫度由程序控制以3℃/min的速度由200℃升至1000℃再降到200℃。圖6所示為傳感器2的標定曲線。在標定過程中，溫度在上升和下降的過程中傳感器的光程差都要做記錄。在溫度上升和下降的過程中產生的傳感器的遲滯現象我們認為是由于高溫陶瓷膠所致。我們采用溫度上升和下降時光程差的平均值給出了傳感器的標定曲線，如圖6所示。溫度和光程差的關系用三次多項式擬合。

圖7 三個傳感器的標定曲線

圖8 傳感器2的光程差波動曲線

圖7 所示為三個傳感器的標定曲線。由于這三個傳感器具有不同的腔長，為了比較，采用600℃時的腔長值來歸一化傳感器的光程差。由圖7我們可以看出所有三個傳感器具有非常好的靈敏度，在整個標定范圍內，每只傳感器的靈敏度為30nm/℃。由于在高溫時氧化鋯準直管和藍寶石光纖的熱膨脹系數差變小，靈敏度隨著溫度的升高而降低。在1050℃時的靈敏度為20nm/℃，是膜片式傳感器的十倍。

空氣腔傳感器的固有的高的靈敏度引起高的溫度分辨率。為了測量該值，我們將傳感器2放置于任意溫度和1050℃進行10分鐘的測試。每次測試記錄100個數據點，測量結果如圖8所示。標準差分別為2.8nm，2.9nm。在1050℃式的傳感器的靈敏度為20nm/℃，南無其溫度分辨率為0.3℃。

3 結論

本文實現了基于藍寶石光纖空氣腔高溫FP傳感器的串聯復用結構。三個具有不同腔長的傳感器制作成串聯到一起，并且進行了測試和標定。三個傳感器具有非常高的靈敏度，其溫度分辨率為0.3℃，能夠穩定地工作于1000℃。該多點空氣腔溫度傳感器能夠應用于環境惡劣的環境中。

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