一种高分辨率、快速响应的硅尖光纤传感平台
Summary
本工作报告了一个创新的硅尖光纤传感平台 (si-fosp), 用于对各种物理参数 (如温度、流量和辐射) 进行高分辨率和快速响应测量。这种 si-fosp 的应用范围从海洋学研究、机械工业到聚变能源研究。
Abstract
在本文中, 我们介绍了一个创新的和有前途的光纤传感平台 (fosp), 我们最近提出和演示。该 fosp 依赖于连接到光纤端的硅法布里-珀罗干涉仪 (fpi), 在本工作中称为 si-fosp。si-fosp 产生由硅腔的光路长度 (opl) 确定的干涉图。测量改变 opl, 从而改变干涉图。由于硅材料具有独特的光学和热特性, 这种 si-fosp 在灵敏度和速度方面表现出了优异的性能。此外, 成熟的硅制造行业为 si-fosp 提供了出色的重现性和较低的成本, 用于实际应用。根据具体的应用, 将使用低精巧或高精巧版本, 并相应地采用两种不同的数据解调方法。将提供用于制造两个版本的 si-fosp 的详细协议。将显示三个具有代表性的应用程序及其相应的结果。第一个是用于分析海洋温跃层的水下温度计原型, 第二个是测量海洋流速的流量计, 最后一个是用于监测磁限辐射的气压计高温等离子体。
Introduction
光纤传感器 (foss) 以其独特的体积、低成本、重量轻、抗电磁干扰 (emi)等独特的性能成为许多研究人员关注的焦点。这些 fos 在环境监测、海洋监测、石油勘探和工业加工等许多领域得到了广泛的应用。在温度相关传感方面, 在需要测量微小温度和快速温度变化的情况下, 传统的 fos 在分辨率和速度方面并不优越。这些限制源于许多传统 foss 所依赖的熔融二氧化硅材料的光学和热特性。一方面, 二氧化硅的热光系数 (toc) 和热膨胀系数 (tec) 分别为 1.28×10-5 riu/°c 和 5.5×10-7 m/c (m·°c); 这些值导致温度灵敏度在 1550 nm 附近仅约 13 pm/°c。另一方面, 以热能交换为响应的温度变化速度的热扩散系数仅为 1.4 x10-6 m 2; 这个值并不优于提高硅基 foss 的速度。
本文所报道的光纤传感平台 (fosp) 打破了上述熔融硅基 foss 的局限性。新的 fosp 利用晶体硅作为关键传感材料, 在光纤的末端形成高质量的法布里-珀罗干涉仪 (fpi), 这里称为硅尖 fosp (si-fop)。图 1显示了传感器头的原理图和工作原理, 传感器头是 si-fop 的核心。传感器头基本上由硅 fpi 组成, 其反射谱具有一系列周期性条纹。当 opl 满足 2nl = n, 其中 n 和 l 分别为硅 fp 腔的折射率和长度时, 就会发生破坏性干扰, 而 n 则是一个整数, 即条纹缺口的顺序。因此, 干涉条纹的位置对硅腔的 opl 有响应。根据具体应用的不同, 硅 fpi 可分为两种类型: 低精巧的 fpi 和高精巧的 fpi。低精巧 fpi 对硅腔两端具有较低的反射率, 而高精度 fpi 对硅腔两端具有较高的反射率。硅空气和硅光纤接口的反射率大约为30% 和 18%,因此图 1a所示的唯一硅 fpi 本质上是低精巧的 fpi。通过在两端涂覆薄的高反射率 (hr) 层, 形成了一个高精度的硅 fpi (图 1b)。hr 涂层 (介质或黄金) 的反射率可高达98%。对于这两种类型的 si-fosp, 当温度升高时, n 和 l 都会增加。因此, 通过监测条纹偏移, 可以推断温度变化。请注意, 对于相同数量的波长偏移, 由于边缘缺口要狭窄得多, 高细的 fpi 会提供更好的判别 (图 1c)。虽然高精巧的 si-fosp 具有更好的分辨率, 但低精巧的 si-fosp 具有更大的动态范围。因此, 这两个版本之间的选择取决于特定应用程序的要求。此外, 由于低精度和高精细硅 fpi 在半最大 (fwhm) 处的全宽差异较大, 因此其信号解调方法也不同。例如, 当唯一硅 fpi 的两端涂有98% 的 hr 层时, 1.5 nm 的理论 fwhm 减少了约 50倍, 仅为下午30倍。因此, 对于低精度的 si-fosp, 高速光谱仪足以用于数据收集和处理, 而扫描激光则应用于对高精巧的 si-fosp 进行解调, 因为 fwhm 的范围要狭窄得多, 无法通过光谱仪。协议中将对两种解调方法进行解释。
这里选择的硅材料在分辨率方面优于温度传感。相比之下, 硅的 toc 和 tec 分别为 1.5 x10-4 riu/°c 和 2.55×10-6 m/°c, 导致温度敏感性约为84.6 平方米/°c, 比所有硅基 fos2 高 6.5倍. 除了这种更高的灵敏度外, 我们还演示了一种平均波长跟踪方法, 以降低噪声水平, 从而提高低技能传感器的分辨率, 从而实现 6×10-4°c 2 的温度分辨率 . 与所有硅基 fos3的0.2°c 分辨率的比较。对于高度精巧的版本4, 分辨率进一步提高为 1.2 x10-4°c。 硅材料在速度方面也优于传感。相比之下, 硅的热扩散系数为 88×10-5 m 2/,比二氧化硅2高出60倍以上. 结合较小的占地面积 (例如, 80μm 直径, 200μm 厚度), 硅 fos 的响应时间为0.51ms, 与 x214f 耦合器尖端温度传感器5的16毫秒相比, 已被证明为2。 虽然其他 6、7、8、9组报告了一些以超薄硅膜为传感材料的温度测量研究工作, 但都没有在分辨率或速度方面具有我们传感器的性能。例如, 报告了分辨率仅为0.12°c、响应时间较长的传感器 1 s。7据报道, 0.064°c 的温度分辨率较好,10; 然而, 速度受到相对笨重的传感器头的限制。新的制造方法和数据处理算法是使 si-fosp 与众不同的原因。
除了上述温度传感的优点外, si-fosp 还可以开发成各种与温度相关的传感器, 旨在测量不同的参数, 如气体压力11、空气或水流12、13 ,14和辐射4,15。 本文详细介绍了传感器制造和信号解调协议及其三种具有代表性的应用及其结果。
Protocol
Representative Results
Discussion
硅 fpi 的尺寸 (长度和直径) 的选择是在分辨率和速度要求之间进行权衡的基础上进行的。通常, 较小的尺寸提供了更高的速度, 但也会降低分辨率2。短长度有利于获得更高的速度, 但由于反射槽的 fwhm 扩大, 它并不优于获得较高的分辨率。使用 hr 涂层来降低 fwhm 可以帮助提高分辨率, 但由于使用激光扫描进行信号解调, 它将限制动态范围。较小的直径会增加速度, 但直径应大于引线…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了美国海军研究实验室 (编号) 的支持。N0017315P0376, n001717315p3755);美国海军研究办公室 (编号:n000141410139, N000141410139);美国能源部 (编号:de-sc0018273, de-ac02-09ch11466, de-ac05-00or22725)。
Materials
| 200 Proof Pure Ethanol | Koptec | V1001 | |
| 5 Channels Duplex CWDM | Fiber Store | 5MDD-ABS-FSCWDM | |
| Butterfly Laser Diode Mounts | Tholabs | LM14S2 | |
| CastAway CTD | Yellow Springs Instrument | ||
| CTD | Seabird | SBE 19plus | |
| Current Meter | Nortek | Vector | |
| Data Acquisition Device | National Instruments | NIUSB4366 | |
| Digital Oscilloscope | RIGOL | DS1204B | 200 MHz 2 GSa/s |
| Diode Laser | Thorlabs | LM9LP | Wavelength: 632 nm |
| Fixed BNC Terminator Kit | Thorlabs | FTK01 | |
| Function Waveform Generator | RIGOL | DG4162 | 160 MHz 500 GSa/s |
| High Precision Cleaver | Fujikura | CT-32 | |
| High Reflection Dielectric Coating | Evaporated Coating INC (ECI) | Materials and structure of the coating are unknown | |
| I-MON 512 Spectrometer | Ibsen Phtonics | P/N: 1257110 | |
| InGaAs Biased Detector | Tholabs | DET01CFC | FC/PC output:0-10V; Quantity: 2 |
| Laser Diode | Qphotonic | QFLD-405-20S | Wavelength: 405 nm |
| Laser Diode Current Controller | Tholabs | LDC 210C | 1 A and 100 mA range |
| Laser Diode Temperature Controller | Tholabs | TEC 200C | Quantity: 2 |
| Latex Examination Gloves | HCS | ||
| Micro Slides | Corning Incorporated | ||
| Narrow Linewidth DFB Laser | Eblana | EP1550-NLW-B06-100FM | Wavelength:1550 nm |
| Optical Fiber Fusion Splicer | Sumitomo electric industries, LTD | 3822-2 | |
| Optical Microscope and Monitor | Ikegami Tsushinki Company | PM-127 | |
| Optical Spectrum Analyzer | Yokogawa | AQ6370C | wavelength range: 600-1700 nm |
| Polish Machine | ULTRA TEC | 41076 | |
| Post-mountable Irises | Thorlabs | Quantity: 2 | |
| Pump Laser | Gooch and Housego | 0400-0974-SM | Wavelength: 980 nm |
| Si Amplified Photodetector | Thorlabs | PDA36A | Wavelength: 350-1100 nm |
| Silicon wafer | University Wafer | thickness: 10 µm, 200 µm, 75 µm, 40 µm | |
| Single mode fiber | Corning | SMF-28 | |
| Single Mode Fused Fiber Coupler | Thorlabs | Wavelength: 1550 nm | |
| SM 125 interogrator | Micron Optics | ||
| Submersible Aquarium Pump | Songlong | SL-403 | |
| Superluminscent LED | Denselight Semiconductors | DL-BP1-1501A | wavelength range:1510-1590 nm |
| Syringe Pump | Cole Parmer | 74905-02 | |
| Travel Translation Stage | Thorlabs | LT1 | |
| UV curable glue | Epoxy Technology | PB109077 | |
| UVGL-15 Compact UV Lmap | UVP | P/N:95-0017-09 | 254/365 nm |
| Variable Optical Attenuators | Tholabs | M-VA/00016951 P/N: VOA50-APC |
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