[发明专利]基于飞秒激光微加工的光纤光栅氢气传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于飞秒激光微加工的光纤光栅氢气传感器及其制备方法。具体是基于飞秒激光加工光纤微结构、再镀氢气敏感膜的光纤纤光氢气传感器及其制备方法。

背景技术

自光纤光栅传感器问世以来，光纤光栅传感技术的长期、实时、在线监测的稳定性都得到专家的广泛认可。而且凭借其独特的优势，已广泛应用于桥梁铁路、公路隧道、石油化工等行业，并且得到了迅猛的发展。到目前为止，提高光纤光栅传感器的精度、灵敏度等主要是通过采用不同材料、不同形状的弹性膜片、优化结构以及施加预紧力，还有改善封装工艺来实现。

飞秒激光具有峰值功率高、热影响区小、加工精度高等基本特性，可应用于各种材料的微加工。而且诸多学者已经采用飞秒激光制备F-P干涉仪、M-Z干涉仪以及长周期光纤光栅。基于此，飞秒激光已成为光纤微加工的一种行之有效的手段。利用飞秒激光在光纤光栅表面制备复杂微结构来提高光纤光栅的灵敏度还属于非常前沿的思想。

对氢气敏感的材料莫过于金属钯（Pd），因而氢气传感器经常采用Pd作为敏感膜材料。Pd膜吸收氢气后膨胀，释放氢气又可恢复原状。单纯Pd膜经过膨胀-复原的多次循环后，容易开裂剥落，学者们用Ni或Ag作为缓冲膜层，一定程度上可延长薄膜寿命。在光纤光栅包层镀上氢气敏感膜（Pd，PdNi, PdAg），利用钯的吸氢膨胀效应拉动光纤光栅，通过检测光栅的波长漂移以间接检测氢气浓度，这样制备光纤氢气传感器的方法国内外都有报道。一般地，如果单模光纤光栅包层不作任何处理而直接镀膜，在中低浓度的氢气作用下光栅基本无反应，原因在于光纤材料是由石英组成，过小的吸氢膨胀量还不足以拉动光栅使其中心波长发生明显的漂移。有学者将光纤光栅侧面进行抛磨，做成D型光栅，再镀氢气敏感膜，使光栅灵敏度提高了3倍左右，但光栅波长漂移量不过十几皮米或更小，依然无法用于氢气浓度的有效检测。氢敏膜的厚度低于150nm时,响应时间快且薄膜寿命在可接受的范围,但浓度高于8%时容易吸氢饱和而无法有效测量。氢敏膜厚度大于300nm时，因膜容易开裂而使薄膜寿命明显缩短。因此，光纤光栅氢气传感器目前面临着灵敏度低、敏感膜容易开裂失效的瓶颈，阻碍了这类传感器的推广应用。

发明内容

    本发明的目的就是为了克服现有光纤光栅氢气传感器灵敏度低和薄膜寿命短的技术缺陷，提供一种基于飞秒激光微加工的光纤光栅氢气传感器及其制备方法。一种具有表层微坑和包层内部微结构的新型氢气传感器, 及其以飞秒激光为主要加工手段的制备方法。这种传感器对低氢浓度灵敏度大幅提升，薄膜寿命显著改善。

本发明的技术方案：

   一种光纤光栅氢气传感器，其特征在于，该传感器外包层上有微纳尺度的微坑，在光纤光栅包层内部加工有三维微结构，在光纤光栅微结构区域镀有PdNi或 PdAg合金敏感薄膜。

   本发明的技术方案中，所述的微坑是无规则分布，微坑直径100nm-3um。

   本发明的技术方案中，所述的三维微结构是倾斜直槽阵列或交叉螺旋沟槽。

   本发明的技术方案中，所述的倾斜直槽阵列的倾斜直槽条数为4-6，沿光纤光栅圆周均布，槽宽8-12um，槽深12-20 um，槽长略大于光栅有效长度，光栅有效长度4-8mm。

本发明的技术方案中，所述的交叉螺旋沟槽的两条螺旋槽旋向相反；螺旋节距100-200 um，槽宽10-14 um，槽深12-20 um，槽长略大于光栅有效长度，光栅有效长度4-8mm4-8mm。

   本发明的技术方案中，所述的敏感薄膜的厚度范围在100nm-500nm。

    本发明的光纤光栅氢气传感器的制备方法，包含三大步骤：（1）利用飞秒激光辅以光纤旋转，对光纤光栅外包层圆柱面进行快速扫描，制造微纳尺度的微坑；（2）通过飞秒激光在光纤光栅包层加工三维微结构；（3）利用磁控溅射，辅以光纤旋转，在光纤光栅微结构区域镀上PdNi或 PdAg合金薄膜。

    上述的制备方法步骤（1）中，利用飞秒激光，让光纤在专用夹具辅助下旋转同时轴向慢速进给，激光束在光纤圆柱面上进行扫描，扫描时激光束与光纤纤芯偏移25-35 um，以免损伤芯部光栅的光谱特性。

    上述的制备方法步骤（2）中制备三维微结构的手段是飞秒激光，加工时激光束与光纤纤芯偏移20-30 um，以免损伤芯部光栅的光谱特性，加工过程中光纤在夹具的辅助下旋转，加工倾斜直槽阵列时分度旋转，加工交叉螺旋沟槽时连续旋转。