引言
光纤法珀腔(Fabry-Perot，F-P)分为本征腔和非本征型F-P腔，本征光纤F-P腔制作起来工艺难度较高，而非本征光纤F-P腔传感器相对制作简单，非本征型光纤F-P传感器凶其具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀，电绝缘性好、便于与光纤传输系统组成遥测网络等优点被广泛的应用于测量应变、压力、振动、加速度、折射率等物理量，然而传统的非本征F-P腔主要通过将两根单模光纤的端面加工为镜面反射面，装入一个密封玻璃管内而形成，在其制作过程中仍存在很多问题：1)全手工的制作过程使F-P传感器的可重复性较差，在对接两个光纤端面形成F-P腔时，腔长较难控制，因此如想制作一批相同腔长的F-P腔将十分困难；2)F-P腔的制作中两个光纤端面容易被空气中的气体尘埃污染，以及在对接时用来连接两个光纤端面的毛细管也较容易损坏光纤端面。
本文报道了一种在光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)上直接制作的微型F-P传感器，系采用近红外飞秒激光器在PCF上直接写入的方法制作而成，制作方法简单，能够实现光纤F-P腔的规模化批量制造，具有较好的应用前景。还对用此方法加工形成的F-P传感器的温度和应变特性进行了测试。
1 微型FP腔结构的飞秒激光制作
在本PCF F-P腔制作中采用近红外飞秒激光器，加工系统装置如图1。PCF为折射率导光型PCF(ESM-12-01)，主要成分为熔融石英SiO2。采用的激光光源是钛宝石激光再生放大器(Spitfire-F，Spectra-Physics)，波长为800nm，能量为100 μJ，脉冲宽度为100fs，重复频率为1～5 kHz。从飞秒激光器中出射的激光首先要通过一个直径为10μm的窄间光滤波器(spatial Light Filter)以提高激光束的质量并扩束，在空间滤波器的小孔处加真空管或者微透镜可以防止击穿空气导致电离(加真空管便宜，不好装；微透镜简单，价格高)。然后经分色镜反射后通过物镜(放大倍数20，数值孔径NA=0.45)聚焦在待加工的PCF上。激光器出射光的能量由一个衰减器控制，衰减器由一个半波片和一个起偏器构成。用一个由计算机控制的三维移动平台(PI，German)来精确控制PCF在x，y，z方向的位置，z方向上的准确度为100nm，y方向上的准确度为125nm，z方向上的准确度为7nm。用一个发光二极管照亮被加工的PCF，并通过CCD摄像头在显示器上实时的监控光纤F-P腔的形成过程。
图1 飞秒激光微加工系统
在加工过程中飞秒激光在极短的时间和极小的空间内与光纤(硅)相互作用，向作用区域内集巾注入的能量获得有效的高度积累，作用区域内的温度在瞬问内急剧上升，并将远远超过硅的熔化和气化温度值，使得硅高度电离成高温、高压、高密度的等离子体，最终作用区域内的硅以等离子体向外喷发的形式得到去除。等离子体的喷发几乎带走了全部热量，作用区域内的温度基本恢复到加工前的状态，从而在这一过程中避免了热熔化的存在，实现了相对意义上的冷加工，大大减弱了传统加工中热效应带来的诸多负面影响，加工出的两个端面相对平整。在加工中，大部分粉尘以等离子体向外喷发的形式得到去除，腔体残留的少量粉尘可以通过超声波或者氢氟酸溶液洗去。实验中加工了的一个长、宽、深分别为75μm，30μm，80μm的矩形槽，纤芯被挖空部分的两个端面形成了一个腔长约为75μm的微型非本征F-P腔，其结构如图2，其干涉谱线如图3。
图2 光子晶体光纤(EMS-12-01)端面与F-P腔实物照片及结构
图3 光子晶体光纤F-P腔反射光谱
2 实验结果与讨论
将图2微型F-P腔结构放置在恒温箱内测试其腔长随温度变化的规律，通过光谱仪监测实时并采集数据。实验中温度变化范匍为-20℃～+100℃，每隔10℃待温度稳定后采集一次数据。微型FP腔干涉谱线波长和温度变化的关系及其腔长随温度变化实验结果如图4。
图4 波长和腔长与温度变化的关系
由实验结果可知，在温度由-20℃变到100℃的过程中，FP腔腔长的最大变化量为0.115μm，其温度系数为0.958nm／℃，实验测得在1540nm附近条纹波峰漂移为0.206 nm。
将PCF的两端分别固定在左右两个微动台上，施加预应力使光纤拉直，微型F-P腔位于被固定PCF的中部，固定一端的微动台，另一端拉伸PCF。微动台的移动范围为0～130μm，微型FP腔应变特性实验结果如图5。在0～1500με的范围里，波长漂移5.43nm，灵敏度为0.0036 nm／με。
图5 1550nm区域波峰位置与应变的关系
3 结论
本文报道了一种在全反射型光子品体光纤上用近红外飞秒激光器加工微型F-P传感器的方法，该方法可从根本上克服光纤F-P腔传统制作方法中手工操作、效率低下和重复件较差的缺点并对该法制作的PCF F-P腔作为光纤应变传感器做了温度和应变测评，结果岳明制作的PCF F-P腔作为光纤应变传感器具有较高的灵敏度和很好的线性度。该PCF F-P腔在光纤上一次成割，无需机械拼接，作为全光纤在线器件，可广泛应用于一般环境下的应变测量。此外，又囚其直接制作于光纤上、腔长较短、稳定等特性，便于埋入材料或结构中以形成分布式多点检测系统，从而在光纤钾能材料和结构领域中具有广泛的应用前景。
