全固态微型石英玻璃基法珀腔制备及光学特性研究

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由于基于光纤法布里-珀罗腔的传感器具有抗电磁干扰、易于小型化、灵敏度高、耐高温、成本低等优点,因此被广泛应用于航空航天、大型部件监测、石油生产、医疗等多个领域。目前成熟的光纤法珀腔主要基于敏感膜片等可运动部件,薄膜在外界环境的干扰下发生振动,从而导致干涉信号的变化,通过检测这种形变就可以获得外部信息。敏感膜片越薄灵敏度越高,但越薄的膜片越容易在强大的外部环境下破裂。因此,基于敏感膜片的法珀传感器无法同时实现高灵敏度和大动态范围。本文基于微机电系统(MEMS)技术设计了未来可用于高温传感的紧凑型光纤法珀腔,其有可能在未来同时实现高灵敏度以及大动态范围。分析了法珀腔的干涉原理和直接键合的原理。阐述了石英玻璃材料制造耐高温法珀腔的优势,设计并加工了一致性高,可以批量化生产的微型法珀腔,并利用扫描电子显微镜进行观测以及利用精密荷重试验机进行拉伸强度测试,证明法珀腔的键合强度极佳。并对加工完成的法珀腔进行了光学特性的研究。本论文针对以下四个方面的内容进行了研究:(1)详细阐述了法珀腔干涉的理论基础,并描述了室温自发预键合理论以及影响键合的因素且提出其解决方案。并从化学性能、力学性能、热学性能以及光学性能等方面考量石英玻璃在制作光纤法珀耐高温敏感元件时是否为相对理想的材料。以此为基础设计了全固态紧凑型光纤法珀腔的整体结构,并解决了腔长难以精确控制的问题。(2)对设计的全固态法珀腔进行了工艺流程的设计以及器件的制备,其流程包括备片、清洗、等离子体处理、预键合、直接键合、磁控溅射、划片、封装等步骤。完成直接键合后的石英玻璃片利用L-Edit软件绘制的掩模版实现了划片线的磁控溅射,并进行划片。凭借石英玻璃插芯辅助准直将石英光纤垂直插入了“三明治”结构中,完成紧凑型法珀腔的加工制备。(3)通过扫描电子显微镜进行微观结构观察并利用能谱仪进行元素分析,测试发现其键合情况良好。通过“三明治”结构的拉力测试其键合强度,键合强度远超半导体MEMS器件制造中推荐的最小键合强度值。验证了制成的微型法珀腔的一致性高,可以批量化生产。(4)对没有进行封装的“三明治”结构、玻璃插芯以及光纤进行空间光学耦合测试,与封装之后的法珀腔的光纤耦合测试进行对比实验,测试结果表明封装过程对于全固态微型法珀腔的光学性能产生的干扰很微弱。法珀腔的Q值为2711。
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