《Optics & Laser Technology》：Highly sensitive fiber-optic fabry-perot gas pressure sensor based on refractive index and cavity length synergistically enhancement
编辑推荐：
•腔体折射率与紫外薄膜变形的协同调制增强了FPI的压力响应。•折射率与紫外薄膜的协同调制在0-10 kPa压力范围内实现了0.7 nm/kPa的灵敏度。•空气腔与薄紫外薄膜产生了超低温度交叉灵敏度，为-0.0546 kPa/℃。•空心光纤内部的反射紫外薄膜提高了保护性能和传感
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腔体折射率与紫外薄膜变形的协同调制增强了FPI的压力响应。
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折射率与紫外薄膜的协同调制在0-10 kPa压力范围内实现了0.7 nm/kPa的灵敏度。
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空气腔与薄紫外薄膜产生了超低温度交叉灵敏度，为-0.0546 kPa/℃。
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空心光纤内部的反射紫外薄膜提高了保护性能和传感器可靠性。
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出色的线性度、稳定性和可逆性实现了低压范围内的可靠在线监测。
引言
气体压力是一种无处不在的物理量，与化工生产、生物医学制造和环境监测中的运行安全直接相关[1]、[2]、[3]。在各类气体压力传感器中，光纤气体压力传感器（FOGPS）因其高灵敏度、体积紧凑、抗电磁干扰性能优异以及适用于远程监测等优势而被广泛研究[4]、[5]。基于不同工作原理的多种FOGPS已被开发，包括基于光纤光栅的[6]、[7]、基于干涉的[8]、[9]、[10]、[11]以及基于表面等离子体共振（SPR）的传感器[12]、[13]。其中，基于空气腔的Fabry-Perot干涉仪（FPI）凭借其结构简单、体积紧凑和压力灵敏度优异等特点，在气体压力传感领域尤为突出。
基于FPI的FOGPS可分为两大类：腔长调制型传感器和折射率调制型传感器。在腔长调制型传感器中，FPI的端反射面通常由柔性薄膜提供。外部压力变化引起薄膜变形，从而改变FPI的腔长，调制其有效光程。当前研究主要聚焦于采用更柔顺、更易变形的薄膜以实现高效的腔长调制。例如，Zhang利用PVC膜作为反射面之一构建了FPI[14]；Chen采用紫外胶膜作为FPI腔的反射面[15]；Liu开发了一种FP压力传感器，其中PDMS膜作为腔的反射面之一[16]。尽管这些传感器灵敏度较高，但它们通常将薄膜置于光纤端面，使其直接暴露于外部环境，因此容易受损。折射率调制型传感器不依赖柔性薄膜变形引起的腔长变化。它们通常采用不同的开放腔FPI结构，使内部气体腔与外部压力环境连通。在该构型中，气体压力变化直接改变腔内气体的折射率，从而改变FPI的光程。当前研究主要集中于通过不同设计策略构建开放腔FPI结构，以建立内部传感腔与外部环境之间的压力连通。例如，Xu首先利用飞秒激光在单模光纤（SMF）端面加工出孔，然后与另一根SMF进行熔接形成内部空气腔，随后在空气腔上加工垂直微通道，作为传感器的气体通道[17]；Gao利用空心光纤（HCF）和SMF设计了SMF-HCF-SMF三明治结构，其中飞秒激光在HCF包层上加工的微通道作为气体通道[18]；Zhao通过三片超低膨胀玻璃片的光学接触键合制作了全固态开放腔FPI。在键合前，在中部玻璃片上加工出长孔，这些孔在最终键合结构中作为气体传输通道。同时，沉积在上下玻璃片内表面的高反射薄膜定义了FPI腔的两个反射面[19]。与腔长调制型传感器相比，折射率调制型传感器具有较低的温度交叉灵敏度，但其相对较低的压力灵敏度仍是需要克服的关键挑战。
本研究中，我们提出了一种基于空心光纤FPI的FOGPS，该传感器同时通过折射率和腔长进行调制。该传感器通过将一段HCF与SMF熔接构建而成，随后利用飞秒激光在HCF侧壁加工出侧孔，并在HCF内部形成两层紫外薄膜。SMF端面和第一层紫外薄膜作为FPI的两个反射面，侧孔则实现了FP腔与外部环境之间的连通。该构型使FP腔能够作为开放腔工作，从而使外部压力变化直接调制FPI腔内空气的折射率。除作为反射面外，第一层紫外薄膜还作为可变薄膜用于腔长调制。为了在该薄膜两侧建立压差，在HCF末端形成了第二层紫外薄膜，从而在第一层紫外薄膜后方形成密封腔。随着外部压力的变化，该密封腔在第一层紫外薄膜两侧产生压差，导致薄膜变形，进而调制FPI的腔长。值得注意的是，对于传统的腔长调制型FPI压力传感器，光程通常随施加压力的增大而减小；而在所提出的结构中，光程随压力增大而增加，这与空气折射率调制的贡献一致。因此，这两种调制机制作用方向相同，产生协同增强压力响应的效果，使传感器实现了高灵敏度。实验结果表明，该传感器在0-10 kPa压力范围内实现了最大0.7 nm/kPa的压力灵敏度，线性度为0.998，温度交叉灵敏度超低，为-0.0546 kPa/℃。
章节摘要
传感器制备
图1(a)-(h)示意性地展示了所提出传感器的制备过程，可分为八个连续步骤。图1(a)展示了利用光纤熔接机（藤仓，FSM-100P）将SMF与HCF（定制开发，内径：80 μm，外径：125 μm）进行熔接，从而形成SMF/HCF混合结构。如图1(b)所示，HCF利用光纤切割刀进行切割以获得光滑端面，便于后续的紫外胶蘸取。
气体压力测量装置
将制备好的传感器放置于密封压力室内，利用空气压缩机逐步调节内部压力，以研究传感器的压力响应特性。具体的校准装置和实验平台如图2所示（实线部分）。图2中红框区域展示了制备的传感器。每个传感器由一根SMF、一段HCF和HCF内部形成的紫外胶膜组成。腔体
实验与数值结果
本节对提出的传感器的气体压力传感性能进行了实验评估，并通过与数值模拟结果的对比进行了进一步验证。图3展示了样品1和样品2的初始反射光谱。
样品1的紫外胶膜厚度和FP腔长分别约为6 μm和150 μm，样品2的则分别约为4.5 μm和170 μm。如图3(a)所示，第二层
讨论
基于上述实验结果，所提出的FP光纤气体压力传感器在低压范围内实现了高压力灵敏度，同时保持了良好的线性度、重复性和稳定性。这种性能提升主要源于折射率变化和薄膜变形的协同调制。与仅依赖空气折射率变化或薄膜偏转的压力传感结构不同，本设计将HCF腔与
结论
总之，我们提出并展示了一种高灵敏度的FOGPS，通过创新性地集成基于折射率和基于腔长的压力传感机制，基于Fabry-Perot干涉原理实现。该传感器主要通过将HCF与SMF熔接构建而成，并利用飞秒激光在HCF侧壁加工出孔，从而实现内腔与外部压力环境之间的连通。形成的紫外胶膜
作者贡献声明
付宏宇：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、验证、调查、数据整理。庞子军：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、数据整理。滕欣铉：论文撰写——审阅与编辑、软件。张尚萱：论文撰写——初稿撰写。周爱：监督指导、经费获取。戴雨堂：监督指导。杨明红：论文撰写——审阅与编辑、方法论。
利益冲突声明
作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作部分得到国家自然科学基金（批准号：62175193）和湖北省杰出青年科学基金项目（批准号：2023AFA066）的资助。
付宏宇于2024年获得汕头大学光学工程硕士学位。目前正在武汉理工大学信息与通信工程专业攻读博士学位。其当前研究方向聚焦于光纤传感技术。
付宏宇|庞子军|滕欣铉|张尚萱|周爱|戴雨堂|杨明红
