【正文】 第4章 傳感器濕度測試實驗4．1濕度環(huán)境的產(chǎn)生在光纖FP腔濕度傳感器做好以后需要一個濕度發(fā)生裝置用來檢測傳。 圖314 制備好的光纖FP腔光譜圖本章小結(jié)光纖FP腔在理論上的研究證明其具有重大的應用前景，但是真正限制其在傳感器領域應用的卻是光纖FP腔的制作不能像光纖光柵的制作擁有一種十分有效的制作方法。 圖314為制備好的光纖FP腔的反射光譜圖，從這個圖中可以看出其光學參數(shù)。最上面的一層比較厚看起來有疏松的多孔結(jié)構(gòu)的就是多孔硅，在多孔硅下面以薄層的黑色的是銀反射膜，銀膜下面的是陶瓷插芯和光纖端面多孔硅薄膜制備好以后再以磁控濺射制備第二層反射膜，這一層反射膜無需考慮透射所以制備了50nm厚。第一層薄膜制備好以后將樣品郵寄到上海交大，多孔硅薄膜是該實驗室代為制備的。本文中選用的是銀材料作為靶材制作反射薄膜，銀是一種非常優(yōu)秀的金屬反射薄膜，從前面的討論知道，此類薄膜雖然可以制備得到比較高的反射率，但是金屬薄膜對光的吸收也是很高的，所以在制備第一層反射薄膜時需要考慮這一層薄膜對光的吸收，厚度應該以多大厚度為宜，太厚了則光不能通過第一層銀膜因此也不能形成干涉，第二層銀薄膜因為需要有盡可能高的反射率，而且不需要透射，所以可以把這層薄膜做得比第一層厚，而對于兩次反射光能量的分配以其在產(chǎn)生干涉時兩束光的能量相近為宜。 圖310 插入陶瓷插芯中的光纖其制作過程為，首先裸光纖的一端去掉適當長度的涂敷層，在去掉涂敷層的光纖上涂敷EPOTEK 353ND是雙組分膠后插入陶瓷插芯中，等待膠干以后固定，用光纖切割刀切去側(cè)面多余的光纖。本文中制作的光纖FP腔探頭是采用在光纖端面鍍膜制作的外腔式FP腔（EFPI），如果直接在光纖端面鍍膜而光纖端面直徑十分微小，單模光纖加上外面的涂覆層其直徑僅250μm，在去掉涂覆層以后直徑僅125μm，在如此微小的端面上鍍膜很難保證膜的均勻性和穩(wěn)定性，為了保證膜的均勻性和膜與光纖結(jié)合的牢固性，在鍍膜的時候把光纖插入陶瓷插芯中，在陶瓷插芯的端面鍍膜，這樣薄膜和基底有更大的接觸面積，增加了膜的牢固性。下圖就是這種光纖FP腔的制作原理圖。下面介紹一種北京理工大學提出的一種使用毛細石英管制作光纖FP腔的方法，首先是在兩根光纖的端面鍍膜，然后在把已經(jīng)鍍膜了的光纖端面插入環(huán)氧膠溶液中，放置一段時間再拉出來，環(huán)氧膠是紫外固化膠，把光纖垂直放置，利用重力在光纖端面形成一個環(huán)氧膠的微透鏡，讓紫外光照射光纖端面，加速環(huán)氧膠的固化速度。直接用光纖熔接機制作光纖FP腔可以利用了不同種類的光纖其具有不同的折射率，當這兩種不同種類，不同折射率的光纖熔接在一起時，其接觸面會有折射率突變，然后利兩段光纖接觸面折射率突變產(chǎn)生的菲涅爾反射，即可形成一段光纖FP腔，這樣制作得到的光纖FP腔精細度都很低。 圖38啁啾式光纖FP腔 在圖中我們可以看出，CFBG的反射譜帶寬比較寬，這樣光柵的反射譜具有一定的帶寬，其形成的光纖FP腔對與寬帶光源的入射就相當于一個梳狀濾波器，而且因為光纖光柵的反射率很容易做得很高，所以這也很容易得到精細度很高的干涉條紋，此類光纖FP腔在光纖通信領域用得比較多。圖37 光纖Bragg光柵式光纖FP腔示意圖FBG光纖FP腔的諧振條件為，式中為FBG在反射波長處的反射系數(shù)的相位因子，從FBG的光學特性我們知道，這種形式的光纖FP腔要求制作兩個參數(shù)幾乎完全相同F(xiàn)BG，這樣才能在它們共同的中心波長處形成光學諧振腔，另外也有FBG的反射光譜我們可以知道這種形式的光纖FP腔具有與其它形式的FP腔不同的光學特性[35]，也就是它們只在FBG的反射中心波長附近對光有很強的耦合作用，所以在FBG反射中心波長之外的光我們不能觀察到干涉譜，所以當我們希望FP單模運行的時候可以通過把兩個FBG的中心波長的反射帶寬做得很小來實現(xiàn)，原則上FBG的帶寬越小就越容易實現(xiàn)FP腔的單模運轉(zhuǎn)，但是FBG的帶寬越窄就越難做出兩個完全一樣的FBG出來。（1）基于光纖光柵法的光纖FP腔制作由于光纖在經(jīng)過氫載以后具有對紫外光敏感的特點，紫外曝光區(qū)的折射率能夠發(fā)生永久性的改變。 光纖濕度傳感器探頭的制作光纖FP腔的制作工藝在該類型的傳感器系統(tǒng)開發(fā)過程中是一個十分重要的過程，也幾乎決定了整個系統(tǒng)開發(fā)的成敗，在近幾十年來世界上也一直有人在不斷地研究光纖FP腔的制作手法，但是在目前為止還是沒有一種可以非常有效地降低制作的成本和復雜過程手段，這也因此限制了光纖FP腔傳感器發(fā)展。另外也可以應用于其它的可燃性氣體，和瓦斯氣體的檢測。多孔硅因為具有非常活躍的化學性質(zhì)[32]，因此其在傳感器領域的應用十分廣泛。多孔硅特性分析多孔硅是上實際五十年代的時候，美國貝爾實驗室在探索硅片點化學拋光工藝時，觀察到單晶硅在經(jīng)過電化學處理以后其表面的黑色薄膜[30]，當時其并未發(fā)現(xiàn)這種薄膜表面的多孔結(jié)構(gòu)。這是一種高壓液相體系，制備過程是將單晶硅片固定于高壓水熱釜的內(nèi)襯里，在水熱釜內(nèi)加入氫氟酸腐蝕溶液，在一定的溫度下進行水熱反應，通過控制腐蝕溶液的濃度和組成，可以制得紅光，藍光，和紫外光發(fā)射的多孔硅材料，山東大學晶體材料實驗室用氫氧化鉍取代氫氟酸溶液作為腐蝕劑，得到了納米豎直孔徑的多孔硅材料。 圖36 光化學法制備多孔硅（2）水熱腐蝕法制備多孔硅水熱技術最早是用來模擬礦物的合成，后來人們發(fā)現(xiàn)在這一條件也適用于單晶的生長。圖35電化學法制備多孔硅表面形貌SEM圖（2）光化學腐蝕法制備多孔硅光化學法制備[30]多孔硅更為簡潔，其示意圖如下所示，在這個過程中光照射硅基片為反應中提供所需的空穴載流子，所以不需要外加電流源或電壓源，在這個過程中所用的光波段一般為可見光或者能量更大的紫外光，另外使用單色低強度的X射線也可以制備多孔硅，但是使用混合顏色高強度的X射線確會產(chǎn)生拋光現(xiàn)象。本文中所使用的多孔硅為上海交大XX實驗室用電化學方法制備的，圖35是上海交大制備的多孔硅放大5500倍的SEM圖片。 另外陽極腐蝕的電流密度和氫氟酸的濃度也是影響多孔硅表面形貌的重要原因。在重參雜p型和n型單晶硅時（＞），其形成的孔徑在10nm~100nm；在輕參雜濃度n型硅情況下，形成的多孔硅表面孔徑形貌不一，有完全不同的兩個分布狀況，微米級的孔徑和納米級的孔徑同時存在，但是在大致的分布上來說n型硅是隨參雜濃度的增加多孔硅孔徑減小，在中等或重參雜時的p型硅上，孔徑大小與參雜濃度同時增長。 圖34 電化學法制備多孔硅多孔硅表面的形貌受制于硅片的參雜狀況，和陽極極化因素。陽極用作腐蝕材料的硅為單晶硅片。多孔硅的制備技術多孔硅材料的制備是對其研究非常重要的一環(huán)，在這幾十年來其制備手段也出現(xiàn)了許多種方法，但大多是基于一下三種方法的演變 （1）電化學腐蝕電化學腐蝕是傳統(tǒng)的制備多孔硅的工藝手段，也是現(xiàn)今用得比價多的方法，其基本裝置如圖34示，一般有恒壓源和恒流源兩種模式，圖37為恒流源模式，這種模式可以更好地控制多孔硅的厚度和孔隙度，而且重復性很好。在可用的濕度敏感材料中也是多種多樣，有聚乙烯、聚酰亞胺、聚酯類、PVAC、環(huán)氧樹脂類、PVA、多孔硅、丙烯酸類、PMMA、醋酸纖維素、氯化鋰等都取得了不錯的濕度敏感效果。(4)對于單層金屬薄膜如果薄膜的折射率為，那么其反射率可以表示為：光波在金屬薄膜中的傳播隨著厚度的增加其振幅程指數(shù)形式衰減即： （39）和分別為光入射點的電場振幅和厚度為d處的電場振幅，k為消光系數(shù)，因此可以同樣寫出光強的衰減公式 （310） 濕度敏感薄膜的選擇與設計濕度傳感器發(fā)展至今所使用的濕度敏感元件多種多樣，在早期的時候多是使用機械式的濕度計，在電子濕度計開始發(fā)展起來以后，濕度敏感材料才開始被研究使用和發(fā)展起來，而光纖濕度計更是離不開濕度敏感材料。(2)金屬膜層的化學穩(wěn)定性較差。在光學工程應用中金屬薄膜因為具有非常高的反射率而受到使用者的歡迎，在實際的應用時，為了得到很高的表明光潔度，一般是把金屬薄膜鍍在事先拋光的玻璃上，金屬薄膜具有一下特點：高反射帶比較寬，幾乎包括了全部的光波范圍，但對于單獨的某種金屬來說，其只在某個波段范圍內(nèi)有最佳的反射率。 32）我們假設第一個反射面的反射率為r1，第二個反射面的反射率為r2因此在不考慮其它損耗的情況下我們可以寫出下列兩式：， （33）如果要讓這兩束光產(chǎn)生明顯的干涉條紋除了光束頻率相同，振動方向相同，傳播方向相同以外，還需要這兩束光的光功率相近，否則如果兩束光的光功率相差太大的話則不能觀測到干涉條紋，因此希望I1與I2盡量相近。 光纖濕度傳感器探頭的設計為了使我們制備出來的光纖濕度傳感器探頭能夠有很好的濕度敏感效應，和在測量的時候能夠得到很好的分辨率譜線，我們需要對FP腔的反射面薄膜和腔內(nèi)濕度敏感介質(zhì)種類厚度進行選擇。 圖31 波長解調(diào)型光纖FP濕度傳感器總體原理圖致使腔內(nèi)濕度敏感薄膜的折射率發(fā)生改變以表示，腔長度改變以表示，透射光譜峰值波長改變?yōu)槎停际请S著空氣中的相對濕度的變化而變化的，所以我們通過監(jiān)測透射光譜峰值波長的變化可以確定空氣中相對濕度的變化。第3章 光纖FP腔濕度傳感器研制低精細度光纖FP腔濕度傳感器工作原理如圖31所示，傳感器引入低精細度光纖FP腔理論分析，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過3dB分路器到鍍有兩層反射膜和一層濕度敏感薄膜的光纖FP腔結(jié)構(gòu)。在光纖FP腔傳感器中，高精細度的內(nèi)腔式光纖FP傳感器雖然有著很高的傳感精度，但是其制作非常困難，在低精細度的光纖FP腔中尤以白光干涉的光纖FP腔最為有應用前景，其光源廉價壽命長，且使用波長解調(diào)不易受外界干擾。對于傳感器解調(diào)手段的不成熟也是限制了其應用的原因之一。作為解調(diào)儀中的關鍵器件可調(diào)諧FP濾波器，必須要保證其在調(diào)諧的過程中能夠讓光纖FP和FBG傳感器的峰值光譜都能一次通過，這就需要調(diào)諧FP腔要有足夠的波長調(diào)諧范圍，現(xiàn)在的FBG解調(diào)儀上所用的調(diào)諧FP腔的調(diào)諧范圍都有近70nm，但是為了保證其在調(diào)諧過程中的線性，大多都只用了其中的不到20nm的范圍，這個調(diào)諧范圍對于光纖FP腔來說有點小了，如果能夠把調(diào)諧的整個70nm范圍的波段都能利用起來或者能利用50nm的調(diào)諧范圍，那么這個應該足夠提供光纖FP腔和FBG的共同解調(diào)[25]。下面就介紹下光纖FP腔的波長信號解調(diào)方法，這些方法發(fā)展到現(xiàn)在其中有一些已經(jīng)進入了實用化了。這種方法的缺點是使用了調(diào)諧激光光源導致系統(tǒng)成本提高不少，而且光源的穩(wěn)定性遠不如普通的寬帶光源。其解調(diào)原理圖如圖219所示： 圖219 基于調(diào)諧FP腔的波長解調(diào)在這個解調(diào)光路中，我們首先讓ASE光源發(fā)出的光經(jīng)過可調(diào)諧FP腔濾波以后輸出光變成梳狀波形，梳狀波經(jīng)過傳感FP腔當傳感FP腔的腔長與調(diào)諧FP腔相匹配時出現(xiàn)極大值輸出，我們可以通過這個特點以特定的尋峰算法找出傳感FP的峰值輸出波長。被光柵衍射分開的光用線陣CCD接收，線陣CCD上的每一個像素點都代表了特定波長的光強，只要線陣CCD的采樣速率足夠高我們就可以檢測動態(tài)的應變信號，采集到的信號通過計算機軟件分析就可以得出對應的光纖FP腔的應變狀態(tài)。這種方法主要的缺點是光譜儀的體積過于龐大，而且其造價較高，所以這個使用更多的是在實驗室里面，當我們需要快速分析傳感器的一些基本參數(shù)的時候使用。 圖215 波長解調(diào)光譜圖光纖FP腔波長解調(diào)的方式有許多種比較簡單直觀的是使用光譜儀，和使用調(diào)諧FP腔匹配法。滿足 （229）其波長對應了反射光功率的極大值點，即在反射光譜曲線的峰值點。另外從干涉光強的計算公式我們也可以看出干涉儀的輸出光譜曲線[23]與波長的關系是呈現(xiàn)一個余弦振蕩關系的。 基于光波長漂移的信號解調(diào)方法由光纖FP腔對于光波長的濾波特性我們知道，當入射光束是一束窄帶激光光束時我們無論是用什么檢測器件去檢測透射光或是反射光都只能看到這束光的頻率和損耗，而不能獲得其它信息。（2）功率解調(diào)型的FP傳感器光路十分脆弱容易受到外界擾動而導致輸出光功率的變化，這樣一來給光纖FP傳感器的封裝帶來許多困難。 圖213 光功率解調(diào)系統(tǒng)示意圖圖213中即是測量反射光功率變化解調(diào)示意圖，而測量的分辨率則取決于干涉條紋的精細度，如果精細度高的話則曲線在振蕩的過程中峰谷值，或谷峰值之間的曲線斜率更高，這樣微小的腔程變化能引起更大的干涉光功率的改變?nèi)鐖D214所示。我們可以利用下面圖中的谷值到峰值之間的線性段或者峰值到谷值之間的線性段的變化來確定腔內(nèi)光程的變化?；诠夤β实慕庹{(diào)系統(tǒng)非常簡單，整個系統(tǒng)需要光源，光隔離器，光纖傳感探頭，和光功率探測計，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，3dB分路器只有在測量反射功率變化的時候才會用到，如果是測量透射光功率變化無需3dB分路器。處于低精細度情況下時，干涉光強的公式可以由下式表出： （227）從上式我們就可以看出，外界變化引起的腔內(nèi)光程的變化，從而改變了兩束反射光的光程差，導致了干涉光強的變化，因此可以由輸出光強的變化值來確定外界的影響大小，可以看到上式中含有余弦量，在疊加的過程中必然出現(xiàn)類似于余弦曲線的振蕩出現(xiàn)