第二章、 高分子填注中空光纖空氣間隙Fabry–Pérot光纖干涉儀
2.2 研究流程
本實驗我們製作一個全光纖式的 Fabry–Pérot 干涉儀並作液體的液面高度感測，將液態的 單體分子利用毛細現象原理灌注到中空光纖的空氣孔洞時，調整其灌注的時間，故意將孔洞 通道預留一截空氣做成以空氣間隙(Air gap)為共振腔的 Fabry–Pérot 光纖干涉儀(AG-FFPI)，如 圖 2-1，之前實驗室已發展了此結構作環境溫度的靈敏感測[6]，本實驗進一步將此元件發展
成液面高度光纖感測器，並探究其物理與光學特性。
首先取一段纖芯直徑約 50μm 的中空光纖，因為中空光纖的保護層為高分子的材料，因 為無法以一般使用剝線箝剝離保護層(Jacket)的方式剝除乾淨，但是其燃點約在 150°C，所以 將保護層利用打火機火焰燃燒的方式將保護層去除，再使用酒精拭紙將保護層的灰燼擦拭乾 淨，之後將中空光纖與單模光纖的待熔接處利用光纖切割刀(Fujikura CT-07)將兩者端面切平 後，利用光纖熔接機(FSM-60S)控制放電的參數做熔接的處理，當熔接完成之後，再使用光纖 切割刀將中空光纖裁切適當長度，元件示意圖如圖 2-2 所示。
圖 2-2 初步元件示意圖。
將初步製作好的光纖元件利用毛細現象(Capillarity)將液態的單體分子(Monomer)填入到 熔接完成的中空光纖的空氣孔洞中，並且控制填注的時間，可以做為調整液態的單體分子吸 入程度，如此一來可以控制 Fabry–Pérot 的共振腔為高分子聚合物或是以空氣為共振腔，如果 在灌住的過程中利用加溫的方式，灌注其填充體，可以縮短其灌注時間。
由於我們使用的高分子聚合物為 NOA65 光固型聚合物，所以我們將還是液態的單體分 子成功灌注到中空光纖的空氣孔洞之後，利用波長範圍在 350nm~380nm 的紫外光，將還是液 態的單體分子曝照足夠的時間後，使之固化(Curing)為固態的高分子聚合物(Polymer) ，如圖 2-3，當固化完成之後則不用擔心填充體會有流失的情形產生。
圖 2-3 Polymer 固化後元件示意圖。
當 AG-FFPI 的元件製作完成後，使用寬頻光源(Wild Band Light Source)做為訊號源，其 光源波長範圍為 1500nm~1600nm 的入射光，之後利用跳接線(Pig Tail)與 AG-FFPI 相連接，再 使用光耦合器(Coupler)與跳接線連接後，使光可以經過我們的光纖干涉儀後，其反射光則會 經過光耦合器，這樣才能量測反射頻譜，最後反射光進入至光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer, OSA)之中，接收其光訊號，量測干涉頻譜，見圖 2-4。
實驗所使用的光譜分析儀使用 GPIB 卡轉換成 USB 介面這樣才能利用電腦接收資料，並 使用 LABVIEW 軟體做成虛擬控制儀表將光譜分析儀的訊號取出，再用 MATLAB 軟體將取 出的訊號做繪圖處理。但是由於所使用的寬頻光源，其初始的光源訊號並非平整，且有損耗 存在，因此量測到的元件頻譜，須與初始的光源頻譜做歸一化的處理，才有辦法看出真正元 件頻譜特性。我們將光纖 Fabry–Pérot 干涉儀(Fiber Fabry–Pérot Interferometer, FFPI)固定在量 尺上放入量筒內，利用顯微鏡的輔助，確保此 FFPI 光纖元件的端面幾乎接近量筒底面，再用 光纖夾具固定光纖，使其不會晃動在平台上，之後開始注入去離子水(DI water)到量筒內，每 0.5cm 量測一次水深頻譜到 15cm 並紀錄，觀察當水深改變時頻譜的變化，而量測架構示意圖 如圖 2-4。
圖 2-4 AG-FFPI 元件量測架構示意圖。
2.3 實驗結果與分析討論
由於我們所製作的光纖式 Fabry–Pérot 干涉儀，可以利用切割出不同長度的中空光纖，以 及調整灌注的高分子聚合物的時間，控制灌注 Monomer 的量，製作出不同共振腔長度的 Air gap，首先我們將所製作出的元件進行液面測量，觀察其對液面壓力的變化量如圖 2-5 所示。
圖 2-5 高分子聚合物形成空氣間隙的 Fabry–Pérot 干涉儀，d 為(a) 23μm、(b) 35μm、(c) 66μm (d) 89μm，L 皆為 58μm，插圖為利用光學顯微鏡元件拍攝實體圖。
圖 2-5 是本研究所製作不同 d 分別為 23μm、35μm、66μm、89μm 之空氣間隙，相同 L=58μm 之高分子聚合物的 Fabry–Pérot 光纖干涉儀元件，當進行注入去離子水改變水位量測時，其干 涉頻譜的波長漸漸往短波長移動，這是由於液面漸漸升高，水壓上升，元件底端之高分子聚 合物受到外部液面壓力時擠壓並進而擠壓空氣間隙長度(d)，使 d 變小，因此產生干涉條紋之 位移變化，如圖 2-6 所示。
1500 1520 1540 1560 1580 1600 -20
1500 1520 1540 1560 1580 1600 -20
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1500 1520 1540 1560 1580 1600 -20
圖 2-6 AG-FFPI 元件受外在壓力的位移變化圖。
d h
波長移動(因空氣共振腔變短)，由實驗結果可知，對 d=23μm 的水位靈敏度約為-3.20nm/cm，d=35μm 的水位靈敏度約為-1.00nm/cm，d=66μm 的水位靈敏度約為-0.84nm/cm，d=89μm 的水 位靈敏度約為-0.31nm/cm，因此可以得知此干涉儀架構，確實可以靈敏地感測水位的變化，
Liquid level (cm)
W a ve le ngt h s hi ft (nm )
35 m
第三章 結論
由於許多的醫療照護常需要即時的監控液面高度，例如:點滴高度監控，因此本專題成功 開發出價格便宜、高靈敏之光纖感測器，利用中空光纖灌注高分子材料技術，提出一新穎、
製作簡單、以及不需對光的全光纖式空氣間隙光纖式 Fabry–Pérot 干涉儀(Air gap Fiber Fabry–Pérot Interferometer, AG-FFPI )元件。
此以空氣間隙為共振腔的 Fabry–Pérot 干涉儀，對外在環境壓力變化的靈敏度上，比起傳 統的光纖式干涉儀，都來得靈敏許多，當我們對 AG-FFPI 改變其水位壓力時，頻譜變化往短 波長移動，代表當水位增加時，頻譜變化往短波長移動，則是代表共振腔長度減少，推測當 注入液體時，位於其端面的高分子聚合物因受液體的壓力，壓縮到 AG-FFPI 的空氣共振腔，
所以空氣共振腔的長度則變短所致。再者，利用同一種製程方法，只要稍加變化實驗參數，
就能製作出特性不同且多樣性、高彈性設計的全光纖式空氣間隙 Fabry–Pérot 干涉儀，以上開 發的元件在感測的應用上，可為一項創新設計與研究。
參考文獻
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