法布里-珀罗光纤传感综合报告

法布里-珀罗光纤传感综合报告

一、基本概念及工作原理

光纤传感技术主要涉及不同类型光纤传感器的开发和应用。在目前已经开发出的各种类型光纤传感器中应用比较广泛的有光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)、长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating，LPFG)和几种基于干涉原理的传感器，包括马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)、迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer，MI)和法布里-珀罗干涉仪(Fabry-PerotInterferometer，FPI)等。其中光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器具有体积小、制作简单、灵敏度高、耐高温和抗电磁干扰等优点，广泛应用于航空航天、能源工业及环境监测等领域。

1.1法布里-珀罗传感器原理

光纤FPI传感器是基于多光束干涉原理，其中多光束干涉是指一组相互平行并且任意两束光之间光程差都相同且频率相同的光束相干叠加。典型的FPI 通常由两个平行的反射面构成，如图1所示，当一束光以倾角θ，入射到厚度为L的平行玻璃板时，光会发生多次反射，从而形成多光束干涉。

图1 多束光干涉原理图

并且无论是反射光还是透射光，任意两束相邻光束之间的相位差δ 可都是相同的。相位差δ 可由公式(1) 计算：

nLcos⁡θt（1）

δ=4π

λ0

在公式(1)中，λ0为光的波长，n为玻璃板的折射率，θt为射入玻璃板光束的折射角，L为玻璃板的厚度。反射面上的光强为：

I0（2）

I r=T2

T2+4Rsin2⁡δ

2

其中I0为初始光源。透射面上的光强为：

I0（3）

I t=T2

T2+4Rsin2⁡δ

2

其中T 是玻璃板单面的透射率，R 是玻璃板单面的反射率。从公式(1) 可知，任意两个相邻光束的相位差δ 由入射光的波长λ0，玻璃板的折射率n，玻璃板的厚度L 和进入玻璃板光束的折射角θt 共同决定。

光纤FPI 传感器的两个反射面可近似看作玻璃板的上下表面。当传感器受到环境的影响时，法珀腔内部的折射率或腔长发生变化，表现为其反射谱的反射峰发生红移或蓝移。当反射率非常低时，可以将多光束干涉近似地视为双光束干涉。此时，FPI 干涉光谱的光强公式可以表示为：

I=I1+I2+2√I1I2cos⁡ϕ（4）其中，I1和I2分别是从FPI 两个反射面反射的光的强度，而ϕ是FPI 随压力和温度变化引起的相变，可以表示为：

ϕ=4πn1L/λ+ϕ0（5）其中n1是FPI 中法珀腔内部的折射率，ϕ0是初相位，L 是法珀腔的腔长，λ 是入射光的波长。FPI干涉光谱的自由光谱范围(Free Spectrum Range，FSR) 为：

FSR=λ2−λ1=λ1λ2

（6）

2n1L

其中λ1是干涉波谷的波长，λ2是λ1 相邻干涉波谷的波长。

1.2光纤FPI传感器的温度传感原理

当外界温度改变时，光纤的折射率以及长度会发生变化，从而导致FPI的相位发生变化，引起光纤FPI的干涉谱发生移动。因此可以通过检测其干涉谱的移动来感知外界温度的变化。FPI的干涉波谷的波长可以表示为：

λ=2n1L

m

（7）其中m 为干涉级数，L 为法珀腔的腔长。所以其温度灵敏度可以表示为：

ΔλΔT =(1

L

ΔL

ΔT

+1

n1

Δn1

ΔT

)λ=(α+κ)λ（8）

其中Δλ为波长的变化量，Δn1为折射率的变化量，ΔL为FPI 腔长的变化量，ΔT为温度的变化量，L为FPI 的腔长，α为热膨胀系数，κ为热光系数。

1.3 光纤FPI 传感器的应变/压力传感原理

当外界的应变或压力作用于光纤时，光纤的直径和长度将会发生变化，从而导致FPI 的相位发生变化，引起FPI 干涉谱发生移动。因此可以通过检测其干涉谱线的移动来感知外界应变或压力的变化。其相位的变化可以表示为：

Δϕ=4πn1

λ

ΔL

其中Δϕ为相位的变化量，λ是光的波长，ΔL为腔长的变化量。

二、国内外发展现状

光纤传感技术是光电子技术的一个重要分支，在光电子领域扮演着十分重要的角色。近十多年来，随着光纤通信技术和半导体光电技术等相关技术的快速发展，光纤传感技术日渐成熟。与传统的电传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、体积小、重量轻、可远程监控和可分布式传感等优点，这使其广泛应用于军事领域、能源领域、电力工业领域和周界安全领域等方面。

典型的传感器件包括光纤陀螺仪、光纤水听器、光纤电流传感器、光纤压力传感器及光纤温度传感器，适于在医疗、航空航天、桥梁建筑、高温油井和国防等领域应用。比如，在医学领域，利用光纤压力传感器在手术过程中对动脉和静脉的血压、颅内压、心内压等的实时监测。其中光纤压力传感器已经产品化，比如美国强生Codman有创颅内压监测仪以及加拿大FISO光纤压力传感器公司等。

自从1988年Lee和Taylor首次成功制备了本征型法布里-珀罗干涉(intrinsic Fabry-Perot interferometric，IFPI)光纤传感器和1991年Murphy等首

次成功制备了非本征型法布里-珀罗干涉(extrinsic Fabry-Perot interferometric，EFPI)光纤传感器以来，光纤法布里-珀罗型传感器逐渐成为光纤传感器家族中的重要成员。目前，常见的F-P腔光纤温度和压力传感器的制备方法包括:湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法，飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等。2005年，Donlagic和Cibula提出了基于膜片设计的全光纤法布里-珀罗(F-P)腔压力传感器结构，利用氢氟酸腐蚀膜片，使膜片尽可能薄，并通过压力容器装置进行实时监测，以便得到设计的灵敏度。2011年，Ma等利用电弧放电的方式在光纤端面制作出微米厚度的空气腔制作完成的压力传感器的压力灵敏度高达约315mp/MPa，具有较好的高温(600℃)稳定性。2007年，Wei等利用飞秒激光制备了微型法布里-珀罗干涉仪(micro Fabry-Perot interferometer，MFPI)，其测试温度高达1100℃。此外，Hill等利用SU-8复合材料研制的压力传感器在微电子机械系统(micro electro mechanical systems，MEMS)中得到了广泛应用。

由于单晶蓝宝石具有超高的熔点、稳定的化学性能和机械强度，SF成为光纤超高温传感器的首选材料。2009年Lally等人首次将反应性离子蚀刻工艺和直接键合制作工艺相结合制备了一个全蓝宝石FPI高温压力传感器。2011年，他们又通过将两个蓝宝石晶片粘合，成功地制备了基于蓝宝石的光纤FPI压力传感器，该传感器能在0.04~1.38MPa的压力范围内进行传感。同年他们使用电子束蒸镀法在抛光SF的端面沉积了一层五氧化二钽薄膜制备了微型FPI传感器，该传感器仅为75μm，可在200~1000°C的温度范围内进行温度测试。

2016年，弗吉尼亚理工大学王安波等人使用氧化铝套管固定SF和蓝宝石晶片制备了用于超高温传感的无源EFPI传感器，如图所示。该传感器基于环境热辐射干涉原理，实现了1593°C的超高温传感，分辨率可达1°C，并且其在1593°C时温度灵敏度为3.135nm/°C。

图2 基于SF 和蓝宝石晶片制备的无源EFPI 高温传感器2019年，天津大学江俊峰等人使用两根SF并固定在蓝宝石套管内，与蓝宝石晶片组合成了具有高分辨率的自滤波EFPI传感器，其中两根SF分别作为输入光纤和输出光纤。该传感器在1000°C时温度灵敏度为4.786nm/°C，分辨率为0.25°C。

2020年，北京航空航天大学丁铭等人使用SF和蓝宝石晶片制作了晶片式的光纤FPI传感器，如图3所示。该传感器在1550°C时的温度灵敏度为32.5pm/°C。除此之外，该传感器被封装在氧化铝陶瓷管中，具有高度的稳定性，在航空发动机和燃气轮机等极端环境具有重要的应用价值。同年，庞拂飞等人使用SF和三层蓝宝石晶片制作了用于高温压力测量的FPI传感器，如图4所示。作者还使用氧化锆套管对该传感器进行封装，提高了传感器的稳定性，使其更好地应用于恶劣环境。

图 3 基于SF 和蓝宝石晶片制备的FPI 高温传感器

图4使用三层蓝宝石晶片直接键合制备的EFPI 高温传感器2020年，弗吉尼亚理工大学王安波等人使用飞秒激光在SMF 端面加工出圆柱形微气腔并使用CO2激光熔接技术制备了一种用于高温测量的全蓝宝石微型光纤FPI 传感器，该传感器在1 455 °C 时温度灵敏度为2.45 nm/°C，平均温度分辨率为0.68°C。作者还对该传感器的热响应进行了仿真分析，并通过实验证明其响应时间约为1.25 ms，与仿真结果基本吻合。

三、制备技术

国内外诸多科研机构对光纤F-P腔温度和压力传感器进行了广泛的研究，形成了多种多样的制备方法。基于制备方法、传感器材料的不同，也已经研制出多种类型的光纤F-P腔温度和压力传感器。不同的制备方法各有优势，且通过不同制备方法得到的光纤F-P腔传感器的光学特性也各不相同。主要包括湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等方法。

湿法化学腐蚀通常是使用化学腐蚀剂有选择性地腐蚀光纤，由于光纤纤芯和包层的掺杂浓度不同，导致其化学活性不同，使腐蚀速度存在差异。在进行了一定时间的腐蚀后可以通过熔接方法在光纤中引入气泡，形成光纤微腔。通过湿法化学腐蚀制备FPI是比较常见的制备方法，该方法直接使用化学腐蚀剂有选择性地腐蚀光纤，具有制作简单和成本较低等优点。但是在腐蚀过程中需要考虑有效的腐蚀剂和腐蚀剂的选择性，并且要求精确的控制腐蚀速率和时间。

相比于湿法化学腐蚀制备法，通过电弧放电制备FPI传感器具有更便捷和更高效的优势。该方法通过将光纤置于光纤熔接机的电极中间，调节放电电流

和放电时间，然后重复放电制作微腔，最后对光纤进行切割制备出FPI传感探头。通过电弧放电法制备的具有微气腔的EFPI传感器具有较高的应变灵敏度和压力灵敏度，并且温度和压力的交叉干扰小，但该方法重复性较差，光纤的机械强度会降低。另外一种电弧放电制备法是使用熔接机熔接不同种类(例如PCF、HCF和SDF等)的光纤，通过将光纤熔接处和光纤与空气的接触面作为反射面制备FPI传感探头。

通过熔接不同类型光纤制备的FPI传感器具有尺寸小和制作简单等优点，但是通过此方法制备的FPI传感器的一个反射面是光纤和空气的接触面，容易受到空气中的接触介质(例如液体、灰尘杂质等)的干扰。所以对于使用该方法制作的FPI传感器，为了确保测量数据的可靠性，传感器的封装设计必不可少。

飞秒激光具有快速和高精度的材料加工能力，是制备光纤FPI传感器的一种非常有效的工具。通过飞秒激光扫描可以在光纤内部产生一定程度的折射率调制区域，飞秒激光经过物镜聚焦到光纤纤芯，产生两个或多个折射率调制区域形成反射面从而制备IFPI传感器。另外一种常见的飞秒激光加工制备法是使用飞秒激光在光纤内部进行刻槽形成微腔，然后对微腔进行抛光和熔接制备EFPI传感器。

使用飞秒激光加工制备法制作的FPI传感器具有结构简单、尺寸小和性能稳定等优点。虽然飞秒激光加工系统成本相对较高但是通过该方法制作的光纤传感器可设计性强，目前已广泛应用于各类光纤传感器的制作。

聚合物辅助制备法是利用高分子聚合物形成超薄膜片来制备光纤F-P 干涉传感器。由于全石英材料制作的光纤EFPI 温度敏感性低，石英膜片的杨氏模量大、膜片加工的最小厚度有限，不适合微弱声信号的感测。有机聚合物材料因其杨氏模量小、易加工成超薄膜片，所以利用聚合物材料制作超薄膜片具有无可比拟的优势。

四、主要应用领域

4.1 温度传感器

2008 年，Wei 等提出了利用飞秒激光制备微型F-P 传感器。腔长随温度的变化函数如图5所示，腔长随着温度近似呈线性增加。该光纤F-P干涉仪测试温度高达1100°C，但是当温度增加到1100°C时，干涉条纹可见度减小2dB。这种特殊的F-P干涉仪对温度的敏感性0.074pm/°C。

图5 传感器对温度变化的响应

2015 年，Yang 等研制的基于一个充满汞的石英管光纤F-P 干涉温度传感器，传感器的F-P 腔是由水银柱和单模光纤端面之间的空气腔形成，腔长随温度的变化情况如图 6 所示。这种传感器表现出-41.9 nm/◦C 的一种超高的温度灵敏度。

图6 空气腔腔长关于温度的函数

此外，用于温度传感的F-P 干涉仪已经有了很多改进，例如，它可以与迈克耳孙干涉仪相结合，制作一个混合式的温度传感器。

4.2 压力传感器

2005 年，Donlagic 和Cibula 提出的基于SiO2膜片的全光纤F-P 压力

传感器结构，该压力传感器对三种不同压力范围的响应如图7所示，可实现0—1 MPa 的压力范围测量。在1550 nm处达到最大灵敏度为1.1 rad/40 kPa、分辨率为300 Pa。

图7 传感器对三种不同压力范围的响应

大多数光纤F-P腔压力传感器仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。但是在实验室研究的基础上，也有一些国内外研究机构和公司研究开发了一些用于实际应用的光纤F-P腔压力传感器。2007年，大连理工大学物理系和中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院设计研制了基于光纤EFPI腔的波长解调型光纤压力传感系统。该系统采用激光熔接制备的光纤F-P传感头，在压强0—30MPa范围内，系统压力测量分别率达到0.003MPa。2010年，由山东省科学院激光研究室承担的“光纤高温高压井测试技术”课题通过科技部验收。该课题组根据高温高压油井的特殊应用环境，深入开展了耐高温光纤传感技术研究，在国内首次自主研制出了可在温度220°C和压力100MPa下长期使用的固定式高精度光纤压力传感器，除了油井检测应用之外，这一光纤温度压力传感器在电力、化工、矿山等许多领域都将有广阔的应用前景。此外，加拿大FISO公司在医疗应用中引入光纤传感技术，凭借其光纤压力传感器系列，已达到世界领先的光纤压力传感器OEM供应商地位。该公司研制的小型光纤压力传感器在颅内压、动脉血压、膀胱/尿道压力、椎间盘内压、内髓内压等医疗领域有广泛应用。

4.3 温压一体传感器

随着光纤F-P 腔温压传感器制备技术的成熟，功能齐全、制作简单的温压一体化光纤传感器被越来越多的科研人员关注。

2016 年，Xu 等提出了一种光纤F-P干涉仪用于气体压力和温度的测量。室温下(25°C)该传感器在1520—1535nm波长范围内不同气压下的反射光谱如图8所示。气压从0到1.12MPa变化，谐振峰向长波方向漂移。通过线性拟合，得到两个谐振峰的气压灵敏度分别为2126pm/MPa和1711pm/MPa。不同环境温度下器件的反射光谱如图9所示。通过线性拟合，得到两个谐振峰的温度灵敏度分别为7.1pm/°C和5.6pm/°C。

图8温压一体传感器承受不同压力时反射光谱的演变

图9 温压一体传感器不同温度变化时反射光谱的演变此外，2011年，Wu等提出了一种基于PCF的光纤F-P传感器，分别研究了在25—700°C和0—40MPa的温压特性，得到其温度灵敏度为13pm/°C，压

力灵敏度为-5.8pm/MPa。同时，也有学者研究了温压一体传感器在生物医学领域的应用，2015年，Sven等提出一种用于人体尿动力学检测的温压一体传感器，分辨率优于0.1cmH2O(~10Pa)，稳定性优于1cmH2O/h。

五、自身认识及感受

通过本次光纤传感课程的学习，我初步了解了光纤的发展历程:从我国的高锟博士提出光纤传输的相关理论，到以日本、美国为首的发达国家生产出各种类型的光纤，再到现在形成的光纤产业。

在光纤的发展过程中分为两个方向:一个是光纤通信;另一个就是光纤传感。光纤通信主要是利用光纤传输信息的可靠性，大容量性为主，而光纤传感主要利用了光纤的一些特性。其中包括防爆、对电绝缘、无感应性、化学稳定性、时域变换性、低损耗、大容量、高精度、尺寸小、重量轻以及对温度的敏感性等。

光纤传感是一种新型的传感技术，它利用光纤传输信号，从而可以实现远程监测和检测。它具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗干扰、传输距离长、信号传输稳定等优点，可以应用于多个领域。光纤传感可以应用于温度监测，如实时监测环境温度，实时监控工厂内温度变化，以及实时监测温度变化情况等。第二，光纤传感可以应用于湿度监测，如实时监测环境湿度，实时监测工厂内湿度变化，以及实时监测湿度变化情况等。光纤传感可以应用于压力监测，如实时监测压力变化，实时监测压力变化情况，以及实时监测压力变化趋势等。

未来光纤传感的发展方向包括：

（1）提高传感器的灵敏度：通过改善光纤传感器的结构设计，提高传感器的灵敏度，以实现精确测量。

（2）改善传感器的稳定性：通过改进传感器的结构设计，增加传感器的稳定性，减少传感器受外界环境影响的因素。

（3）增加传感器的功能：通过增加传感器的功能，使传感器能够更好地满足客户的需求，实现更多的测量功能。

（4）改善传感器的可靠性：通过增加传感器的可靠性，使传感器能够更好地抵抗外界环境的影响，提高传感器的使用寿命。

（5）增加光纤传感器的应用：通过改善光纤传感器的性能，扩大光纤传感器的应用范围，使其能够满足更多行业的需求。

六、附录

[1]李爱武,单天奇,国旗,潘学鹏,刘善仁,陈超,于永森.光纤法布里-珀罗干涉仪高温传

感器研究进展[J].中国光学(中英文),2022,15(04):609-624.

[2]刘源胤. 基于F-P腔干涉的光纤温度传感器的研究与应用[D].北京交通大学,2019.

[3]张驰,严珺凡,施斌,王兴.光纤法布里—珀罗传感技术及其工程应用[J].传感器与微

系统,2014,33(07):9-12+16.DOI:10.13873/j.1000-97872014.07.028.

[4]李自亮,廖常锐,刘申,王义平.光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展[J].

物理学报,2017,66(07):102-118.

[5]Li Wangwang,Liang Ting,Jia Pinggang,Lei Cheng,Hong Yingping,Li Yongwei,Yao

Zong,Liu Wenyi,Xiong Jijun. Fiber-optic Fabry-Perot pressure sensor based on sapphire

direct bonding for high-temperature applications.[J]. Applied optics,2019,58(7).

[6]Wang Z,Chen J,Wei H,Liu H,Ma Z,Chen N,Chen Z,Wang T,Pang F. Sapphire Fabry-

Perot interferometer for high-temperature pressure sensing.[J]. Applied

optics,2020,59(17).

[7]Tao Zhu,Tao Ke,Yunjiang Rao,Kin Seng Chiang. Fabry – Perot optical fiber tip sensor

for high temperature measurement[J]. Optics Communications,2010,283(19).

[8]Y.D. Niu,D.N. Wang,Q.H. Wang,Z.K. Wang,Shu Qin Zhang. Cascaded multiple

Fabry–Perot interferometers fabricated in multimode fiber with a waveguide[J]. Optical Fiber Technology,2020,58.