毛细管传感器概述
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过渡熔接法微纳熔接加 工步骤与平接法类似，调节 过程如图(a)所示。单模光纤 的尾端距离放电电极35 µm， 毛细管尾端调节到超过放电 电极20 µm位置，光纤尾端之 间间隔15 µm。按照表中参数 设置主要熔接参数，熔接完 成后，效果如图(b)所示。
不同的熔接条件会产生不同的熔接形貌，加工出来的器件 也会呈现不同的特性. 如果放电位置位于光纤与空芯之间，两 端面相距15 µm. 使用这种方法获得的熔接点一般是部分塌陷的， 该情况下光的耦合情况非常复杂，不利于传感特性应用。
光纤与毛细管熔接工艺
实验选取美国Polymicro Techologies公司生产的TSP系列毛 细管，其中TSP005150、TSP015150、TSP025150毛细管内径分 别为5 µm、15µm、25 µm，毛细管外径均为150 µm，去除聚合 物涂层之后裸纤外径均为125 µm，与单模光纤外径是一致的。 当单模光纤和毛细管熔接时，由于表面张力的影响，毛细管会 在熔接点附近发生塌陷，通过改变熔接参数，可以有效控制形 成3种基本形式：无塌陷、部分塌陷和完全塌陷。
毛细管基本特征
图(c)给出了内径为5 µm的毛细管 的折射率分布模型。当光在毛细管中 传播时，一般情况下光能量主要在折 射率较大的毛细管壁中传播，由于毛 细管壁较厚且与空气折射率差较大， 因此通常以多模形式存在。另外，在 特殊情况（如反谐振条件）下光可以 在中间空气层中传播。
毛细管中可以存在多个模式，通过数值仿真得到3种内径(inner diameter, ID)情况下的各阶次模式的有效折射率如图(a)所示。随着 模次的增高，对应的有效折射率减小。随着毛细管光纤内径的增大， 有效折射率降低的速度加快。内径为5 µm的毛细管模式对应的有效 折射率变化情况如图 (b)所示，当波长向长波方向偏移时，对应模 式有效折射率下降。
参考文献
[1]光纤光学[M]. 清华大学出版社 , 廖延彪, 2010 [2]毛细管光纤传感器研究进展,张小贝肖海,2017 [3]毛细管熔接式 EFPI 光纤压力传感器的研究,张杰，2017
源自文库
谢谢！
基于毛细管的光纤传感器
• 干涉型光纤传感器 • 谐振腔传感器
法布里 - 珀罗干涉仪
法布里—珀罗干涉光纤传感器就是基于F-P结构来进行传感的 一种相位型光纤传感器，通过F-P腔的变化来探测外界参量，它是 光纤传感器里最灵敏的探测类型之一，可以用于测量压力、应变、 温度等物理参量。
法布里-珀罗干涉光纤传感器按照结构可以分为两类：本征型 法布里-珀罗干涉(Intrinsic Fabry - Perot Interferometer , IFPI)光纤传感 器和非本征型法布里-珀罗干涉（ EFPI ）光纤传感器。EFPI 光纤 传感器的 F-P 腔一般是空气或毛细管结构，光纤只是用来传输光而 不起到探测作用。IFPI 光纤传感器的 F-P 腔是由单模光纤构成的， 光纤既能探测外界参量又能传输光信号。
进一步研究了EFPI器件的应力传感特性。当毛细管内径为 75 µm时，长度分别为53 µm、102 µm、186 µm的EFPI器件轴向 应力传感灵敏度分别为4.2 pm/µε、2.9 pm/µε和2.3 pm/µε，如 图(a)所示。以EFPI器件的轴向应力传感灵敏度为纵轴，器件腔 长为横轴作图，如图(b)所示。当内径一致时，当器件长度相似 时，随着器件腔长的增长，轴向应力传感灵敏度是减小的；随 着器件内径的增大，器件的应力传感灵敏度也大。
无塌陷的熔接工艺使得毛细管和光纤熔接后形成近似平面，因 此也可称为“平接法”。微纳熔接加工步骤如下：
步骤3 表中列出了熔接参数，其中放电 强度和放电时间需要特别注意；设置好主 要熔接参数之后，调整光纤在熔接机中的 相对位置；按下放电按钮，熔接完成，熔 接效果如图(b)所示。
完全塌陷的熔接工艺使得毛细管和光纤熔接后形成近似过渡形 状，因此也称为“过渡熔接法”。
毛细管多模光纤 - 微腔谐振器
2014年，密苏里科技大学肖海提出用毛细管耦合结构来激发回 音壁模式，光学回音壁模式(Whispering Gallery Mode, WGM)是指在 微腔内部,光以全反射的形式传播,使得光被约束在腔内并沿着赤道 面绕行,当光程等于波长整数倍,即满足相位匹配条件时,会产生等间 隔分立的共振模,这种电磁场模式被称作回音壁模式。
如下图所示，将毛细管熔接到一个多模光纤上；调节放电强度 和放电时间以便在多模和毛细管的熔接处形成一个锥形，并将一个 微球塞入毛细管直至卡紧在锥形区域。这里使用的微球直径在 50∼75µm范围，将毛细管的出口端用单模光纤封住后进行化学腐蚀， 将毛细管壁厚腐蚀至几微米而形成有效耦合。
通过反射谱测试系统，得到如图所示的一组反射光谱随着腐蚀 时间增加的变化图。由图(a)得出，随着时间从0不断增加到25 min， 回音壁模式光谱逐渐显示出来，由于腐蚀时间的增加，毛细管壁厚 直至被腐蚀到0，器件回音壁模式又被抑制。图 (b)显示了随着腐蚀 时间的增加，Q值和峰值强度的变化规律图，插入表格为壁厚随着 腐蚀时间的变化。
以内径为75 µm的毛细管为例，采用“平接法”加工了3个 法布里—珀罗干涉仪(FPI)，其干涉仪长度分别为53 µm、102 µm、186 µm，如图(a)所示；单模光纤的两个平整端面和中间 的一段很短的毛细管构成非本征型法珀干涉仪，对应的干涉光 谱如图(b)所示. 随着EFPI器件腔长的减小，对应的反射光谱的 对比度增强，自由光谱范围(free spectral range, FSR)增大。
毛细管光纤传感器概述
目录
• 研究现状 • 毛细管基本特征 • 光纤与毛细管熔接工艺 • 基于毛细管的传感器
研究现状
1966年高锟博士提出光纤用于通信之后，光纤通信与光纤传感 技术得到了迅速发展。光纤纤芯由高折射率的掺杂石英构成，包层 则是由折射率相对较低的石英构成，与光纤尺度可比拟的石英毛细 管作为一种简单的圆柱形导光结构，由中空部分和石英管壁组成， 通过与其他不同类型光纤熔接便能获得一系列结构简单、稳定性好、 灵敏度高的传感器件。与传统的电传感器，光纤传感器具有灵敏度 高、体积小、测量对象广泛、抗电磁干扰、成本低等优点，将信息 传感和信号传输合为一体，便于形成分布式网络分布，易于实现长 远距离的多点实时监测。
不同的熔接条件会产生不同的熔接形貌，加工出来的器件 也会呈现不同的特性. 如果放电位置位于光纤与空芯之间，两 端面相距15 µm. 使用这种方法获得的熔接点一般是部分塌陷的， 该情况下光的耦合情况非常复杂，不利于传感特性应用。
光纤与毛细管熔接工艺
实验选取美国Polymicro Techologies公司生产的TSP系列毛 细管，其中TSP005150、TSP015150、TSP025150毛细管内径分 别为5 µm、15µm、25 µm，毛细管外径均为150 µm，去除聚合 物涂层之后裸纤外径均为125 µm，与单模光纤外径是一致的。 当单模光纤和毛细管熔接时，由于表面张力的影响，毛细管会 在熔接点附近发生塌陷，通过改变熔接参数，可以有效控制形 成3种基本形式：无塌陷、部分塌陷和完全塌陷。
毛细管基本特征
图(c)给出了内径为5 µm的毛细管 的折射率分布模型。当光在毛细管中 传播时，一般情况下光能量主要在折 射率较大的毛细管壁中传播，由于毛 细管壁较厚且与空气折射率差较大， 因此通常以多模形式存在。另外，在 特殊情况（如反谐振条件）下光可以 在中间空气层中传播。
毛细管中可以存在多个模式，通过数值仿真得到3种内径(inner diameter, ID)情况下的各阶次模式的有效折射率如图(a)所示。随着 模次的增高，对应的有效折射率减小。随着毛细管光纤内径的增大， 有效折射率降低的速度加快。内径为5 µm的毛细管模式对应的有效 折射率变化情况如图 (b)所示，当波长向长波方向偏移时，对应模 式有效折射率下降。
参考文献
[1]光纤光学[M]. 清华大学出版社 , 廖延彪, 2010 [2]毛细管光纤传感器研究进展,张小贝肖海,2017 [3]毛细管熔接式 EFPI 光纤压力传感器的研究,张杰，2017
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基于毛细管的光纤传感器
• 干涉型光纤传感器 • 谐振腔传感器
法布里 - 珀罗干涉仪
法布里—珀罗干涉光纤传感器就是基于F-P结构来进行传感的 一种相位型光纤传感器，通过F-P腔的变化来探测外界参量，它是 光纤传感器里最灵敏的探测类型之一，可以用于测量压力、应变、 温度等物理参量。
法布里-珀罗干涉光纤传感器按照结构可以分为两类：本征型 法布里-珀罗干涉(Intrinsic Fabry - Perot Interferometer , IFPI)光纤传感 器和非本征型法布里-珀罗干涉（ EFPI ）光纤传感器。EFPI 光纤 传感器的 F-P 腔一般是空气或毛细管结构，光纤只是用来传输光而 不起到探测作用。IFPI 光纤传感器的 F-P 腔是由单模光纤构成的， 光纤既能探测外界参量又能传输光信号。
进一步研究了EFPI器件的应力传感特性。当毛细管内径为 75 µm时，长度分别为53 µm、102 µm、186 µm的EFPI器件轴向 应力传感灵敏度分别为4.2 pm/µε、2.9 pm/µε和2.3 pm/µε，如 图(a)所示。以EFPI器件的轴向应力传感灵敏度为纵轴，器件腔 长为横轴作图，如图(b)所示。当内径一致时，当器件长度相似 时，随着器件腔长的增长，轴向应力传感灵敏度是减小的；随 着器件内径的增大，器件的应力传感灵敏度也大。
无塌陷的熔接工艺使得毛细管和光纤熔接后形成近似平面，因 此也可称为“平接法”。微纳熔接加工步骤如下：
步骤3 表中列出了熔接参数，其中放电 强度和放电时间需要特别注意；设置好主 要熔接参数之后，调整光纤在熔接机中的 相对位置；按下放电按钮，熔接完成，熔 接效果如图(b)所示。
完全塌陷的熔接工艺使得毛细管和光纤熔接后形成近似过渡形 状，因此也称为“过渡熔接法”。
毛细管多模光纤 - 微腔谐振器
2014年，密苏里科技大学肖海提出用毛细管耦合结构来激发回 音壁模式，光学回音壁模式(Whispering Gallery Mode, WGM)是指在 微腔内部,光以全反射的形式传播,使得光被约束在腔内并沿着赤道 面绕行,当光程等于波长整数倍,即满足相位匹配条件时,会产生等间 隔分立的共振模,这种电磁场模式被称作回音壁模式。
如下图所示，将毛细管熔接到一个多模光纤上；调节放电强度 和放电时间以便在多模和毛细管的熔接处形成一个锥形，并将一个 微球塞入毛细管直至卡紧在锥形区域。这里使用的微球直径在 50∼75µm范围，将毛细管的出口端用单模光纤封住后进行化学腐蚀， 将毛细管壁厚腐蚀至几微米而形成有效耦合。
通过反射谱测试系统，得到如图所示的一组反射光谱随着腐蚀 时间增加的变化图。由图(a)得出，随着时间从0不断增加到25 min， 回音壁模式光谱逐渐显示出来，由于腐蚀时间的增加，毛细管壁厚 直至被腐蚀到0，器件回音壁模式又被抑制。图 (b)显示了随着腐蚀 时间的增加，Q值和峰值强度的变化规律图，插入表格为壁厚随着 腐蚀时间的变化。
以内径为75 µm的毛细管为例，采用“平接法”加工了3个 法布里—珀罗干涉仪(FPI)，其干涉仪长度分别为53 µm、102 µm、186 µm，如图(a)所示；单模光纤的两个平整端面和中间 的一段很短的毛细管构成非本征型法珀干涉仪，对应的干涉光 谱如图(b)所示. 随着EFPI器件腔长的减小，对应的反射光谱的 对比度增强，自由光谱范围(free spectral range, FSR)增大。
毛细管光纤传感器概述
目录
• 研究现状 • 毛细管基本特征 • 光纤与毛细管熔接工艺 • 基于毛细管的传感器
研究现状
1966年高锟博士提出光纤用于通信之后，光纤通信与光纤传感 技术得到了迅速发展。光纤纤芯由高折射率的掺杂石英构成，包层 则是由折射率相对较低的石英构成，与光纤尺度可比拟的石英毛细 管作为一种简单的圆柱形导光结构，由中空部分和石英管壁组成， 通过与其他不同类型光纤熔接便能获得一系列结构简单、稳定性好、 灵敏度高的传感器件。与传统的电传感器，光纤传感器具有灵敏度 高、体积小、测量对象广泛、抗电磁干扰、成本低等优点，将信息 传感和信号传输合为一体，便于形成分布式网络分布，易于实现长 远距离的多点实时监测。