專利名稱：化學腐蝕法制備低損耗微納光纖光柵傳感器的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光電器件技術領域，特別涉及了一種利用步進電機精確控制刻寫有光纖光柵的光纖在化學腐蝕溶液中的提升速度來實現(xiàn)低損耗微納光纖光柵傳感器的方法，以及實現(xiàn)該方法的裝置。
背景技術：
微納光纖的直徑在微米量級、與通信波段波長相當，具有很強的倏逝場和較高的光功率密度。微納光纖傳輸?shù)墓鈭雠c周圍的被測樣品有很強的光物質作用以及較長的作用距離，因而能夠實現(xiàn)高靈敏度的光學傳感。但是單一的微納光纖傳感器是基于外界樣品折射率變化引起探測光強變化的透射式光強調制型傳感器，容易受到光源穩(wěn)定性等因素的影響。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating,FBG)是在光纖纖芯內(nèi)引入周期性的折射率調制，通過檢測外界產(chǎn)量引起的布拉格中心波長的變化能夠實現(xiàn)溫度、濃度、應力、拉力、彎曲等物理量的測量，是一種實用的反射式波長調制傳感器。微納光纖與光纖布拉格光柵結合的微納光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、體積小、高靈敏度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，具有廣泛的應用前景?；瘜W腐蝕制備微納光纖光柵的方法是利用氫氟酸腐蝕預先寫有光纖光柵的光纖，直到光柵區(qū)域的直徑達到微米量級?；瘜W腐蝕的方法相比在微納光纖上刻寫光柵結構等方法具有實驗設備簡單、易于調節(jié)和適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。但是一般腐蝕過程中會引起光纖漸變區(qū)域的不對稱和折射率突變以及光纖表面的不光滑，從而導致較大的光學損耗，嚴重限制了腐蝕制備微納光纖光柵傳感器的最小直徑和信噪比。因此，在腐蝕過程中通過對光纖漸變區(qū)域和光纖表面光滑度進行優(yōu)化，來獲得低損耗的微納光纖光柵傳感器是十分必要的。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枮?01020256618. 1，名稱為一種基于光纖布拉格光柵的折射率傳感器，該技術包括一個寬帶光源、3-dB光纖稱合器、經(jīng)腐蝕后的光纖布拉格光柵和光譜儀，其中經(jīng)腐蝕后的光纖布拉格光柵是指被氫氟酸腐蝕掉包層的光纖布拉格光柵。但是該技術說明了微納光纖光柵在傳感領域的應用能力，但并未考慮腐蝕過程中產(chǎn)生的較大光學損耗問題。由實驗得知，這種方法無法獲得非常細的微納光纖光柵，因而限制了微納光纖光柵傳感器的探測靈敏度；同時較大傳輸損耗引起的較差信噪比也會嚴重影響微納光纖光柵傳感器的實際探測應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的不足，提出了一種通過化學腐蝕制備低損耗微納光纖光柵傳感器的方法和裝置。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的
本發(fā)明中的裝置包括寬帶光源、光纖環(huán)形器、3-dB光纖耦合器、光譜儀、光功率計、步進電機、寫有布拉格光柵的光纖和盛有腐蝕溶液的聚四氟乙烯容器。所述的寬帶光源的光信號通過光纖環(huán)形器到達光纖布拉格光柵，同時光纖布拉格光柵的反射信號通過光纖環(huán)形器輸出到3-dB光纖稱合器。所述的3-dB光纖稱合器將光纖布拉格光柵的反射信號傳輸?shù)焦庾V儀和光功率計。光譜儀實時監(jiān)測光纖布拉格光柵腐蝕過程中由于外包層和部分纖芯被腐蝕導致的布拉格中心波長的漂移，控制腐蝕獲得的微納光纖光柵的直徑大小。光功率計實時監(jiān)測光纖布拉格光柵腐蝕過程中反射信號的光強變化。所述的寫有布拉格光柵的光纖的末端豎直浸在盛有氫氟酸溶液的聚四氟乙烯容器中。所述的寫有布拉格光柵的光纖的上端豎直固定在步進電機上。步進電機提升光纖的速度由計算機實時控制。本發(fā)明的方法具體是
用酒精棉擦拭寫有布拉格光柵的光纖，之后將寫有布拉格光柵的光纖的末端豎直放置于聚四氟乙烯容器中，其上端豎直固定在步進電機上；
在聚四氟乙烯容器中加入濃度為n%的氫氟酸腐蝕溶液；啟動步進電機，以速度V1提升寫有布拉格光柵的光纖，并實時監(jiān)測光譜儀和光功率計；
在光功率計顯示的光強減小時增大步進電機的提升速度到V2,并以V2勻速提升有布拉格光柵的光纖；其中V2 =HlV1, 111為11%的氫氟酸腐蝕溶液中光纖纖芯和光纖包層的腐蝕速度比值；
繼續(xù)腐蝕光纖，布拉格光柵的芯模有效折射率1 會隨著腐蝕進行逐漸減小，從而導致布拉格中心波長I = 2nsffA向短波漂移，通過光譜儀顯示的布拉格中心波長的漂移量決定是否停止腐蝕，
其中』為布拉格中心波，A是布拉格光柵的周期；
當布拉格中心波長漂移量達到目標微納光纖光柵的直徑減小所導致的漂移量時，立即從腐蝕溶液中提起寫有布拉格光柵的光纖，終止腐蝕并沿光纖方向用柔和的氮氣氣流將光纖表面的腐蝕溶液吹干。與現(xiàn)有通過腐蝕制備微納光纖光柵的技術相比，本發(fā)明中的步進電機能夠精確控制浸在腐蝕溶液中的光纖提升速度。通過緩慢的提升光纖能夠實現(xiàn)光纖漸變區(qū)域平緩的過渡到微納光纖部分，從而減小光纖漸變區(qū)域的折射率變化梯度；同時利用光譜儀檢測的布拉格中心波長的漂移可以確定外包層被腐蝕完的臨界狀態(tài)，此時適當?shù)脑龃筇嵘俣瓤梢韵捎谕獍鼘雍屠w芯成分差異導致的腐蝕界面突變，進一步減小光學損耗。由于光纖垂直浸在腐蝕溶液中，并且被垂直提升，所以同時可以減小腐蝕過程中光纖的抖動引起的微納光纖不對稱產(chǎn)生的光學損耗。本發(fā)明裝置簡單、可重復性高，可通過監(jiān)測多根樣品中的單根光纖實現(xiàn)批量制備微納光纖光柵，對推動基于微納光纖光柵器件的發(fā)展具有重要意義。本發(fā)明具有精度高、低成本、抗干擾性好、結構簡單實用、適于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明的結構示意圖
其中1-寬帶光源、2-光纖環(huán)形器、3-3-dB光纖耦合器、4-光譜儀、5-光功率計、6-寫 有布拉格光柵的光纖、7-聚四氟乙烯容器、8-步進電機。
圖2為中心波長為1547. 65nm和1547. 89nm的兩個FBG在有無精確提升控制腐蝕時其損耗對比圖
其中1-中心波長為1547. 65nm的FBG在布拉格中心波長漂移16. 8nm時的反射譜、2-中心波長為1547. 89nm的FBG在布拉格中心波長漂移16. 8nm時的反射譜。圖3為本實施例制備的微納光纖光柵光學顯微鏡圖片,直徑為4. 06um。圖4為制備的直徑與通信波長相當微納光纖光柵光學顯微鏡圖片，直徑為I. 51um。
具體實施方式
以下結合附圖對本發(fā)明的方法和裝置進一步描述本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例如圖I所示，該裝置包括一個寬帶光源I、一個光譜儀4、一個光功率計5、一個步進電機8和一個寫有布拉格光柵的光纖6,其中寬帶光源I發(fā)出的光經(jīng)光纖環(huán)形器2傳輸?shù)綄懹胁祭窆鈻诺墓饫w6,寫有布拉格光柵的光纖6的反射信號經(jīng)光纖環(huán)形器2傳輸?shù)?-dB光纖耦合器3，傳輸?shù)?-dB光纖耦合器3的光信號分別傳輸?shù)焦庾V儀4和光功率計5，寫有布拉格光柵的光纖6的末端豎直放置于聚四氟乙烯容器7中，寫有布拉格光柵的光纖6的上端豎直固定在步進電機8上,寫有布拉格光柵的光纖6是載氫處理過的普通單模光纖,光柵長度為Icm,位于光纖的末端。本實施例中的步進電機8采用的是北京世紀儀器有限公司MGClOl系列精密電控傾斜臺和SC步進電機控制器。本實施例的工作過程用酒精棉擦拭寫有布拉格光柵的光纖6，之后將寫有布拉格光柵的光纖6的末端豎直放置于聚四氟乙烯容器7中，其上端豎直固定在步進電機8上；在聚四氟乙烯容器7中加入濃度為26%的氫氟酸腐蝕溶液；啟動步進電機8，以速度V1提升寫有布拉格光柵的光纖6，并實時監(jiān)測光譜儀4和光功率計5。在光功率計5顯示的光強減小時增大提升速度到V2,并以V2勻速提升有布拉格光柵的光纖6 ;其中V2 =1. 33%。繼續(xù)腐蝕光纖，通過光譜儀4顯示的布拉格中心波長的漂移量決定是否停止腐蝕。如圖2所示，同一套光柵刻寫平臺在載氫的標準單模光纖上刻寫的中心波長為1547. 65nm和1547. 89nm的兩個FBG分別在有無精確提升控制下腐蝕時其中心波長向短波漂移，并且損耗逐漸增大；在中心波長均漂移16. Snm的情況下，施加提升控制制備的微納光纖光柵相比沒有施加提升控制時能夠減小6. 29dB的光學損耗。對比光纖直徑變化引起的布拉格光柵中心波長漂移的模擬結果，中心波長16. 8nm漂移對應的微納光纖光柵直徑為4um。立即快速從腐蝕溶液中提起寫有布拉格光柵的光纖6，終止腐蝕并沿光纖方向用柔和的氮氣氣流將光纖表面的腐蝕溶液吹干。將聚四氟乙烯容器7中的腐蝕溶液換為去離子水溶液，把腐蝕后的微納光纖緩慢放入溶液中再做進一步操作。本實施例制備的微納光纖如圖3、圖4所示，圖3所示的微納光纖直徑為4. 06um,和由布拉格光柵中心波長漂移反推出的微納光纖直徑吻合。圖4所示制備的微納光纖直徑為I. 51um,與通信波長相當。
本實施例中把不同折射率的溶液樣品放在聚四氟乙烯容器7中利用本實施例所制作的傳感器可實現(xiàn)折射率測量。
權利要求
1.化學腐蝕法制備低損耗微納光纖光柵傳感器的裝置，包括寬帶光源、光纖環(huán)形器、3-dB光纖耦合器、光譜儀、光功率計、步進電機、寫有布拉格光柵的光纖和盛有腐蝕溶液的聚四氟乙烯容器，其特征在于 寬帶光源的光信號通過光纖環(huán)形器到達光纖布拉格光柵，同時光纖布拉格光柵的反射信號通過光纖環(huán)形器輸出到3-dB光纖稱合器； 3-dB光纖耦合器將光纖布拉格光柵的反射信號傳輸?shù)焦庾V儀和光功率計； 光譜儀實時監(jiān)測光纖布拉格光柵腐蝕過程中由于外包層和部分纖芯被腐蝕導致的布拉格中心波長的漂移，控制腐蝕獲得的微納光纖光柵的直徑大??； 光功率計實時監(jiān)測光纖布拉格光柵腐蝕過程中反射信號的光強變化； 寫有布拉格光柵的光纖的末端豎直浸在盛有氫氟酸溶液的聚四氟乙烯容器中； 寫有布拉格光柵的光纖的上端豎直固定在步進電機上；步進電機提升光纖的速度由計算機實時控制。
2.化學腐蝕法制備低損耗微納光纖光柵傳感器的方法，其特征在于 用酒精棉擦拭寫有布拉格光柵的光纖，之后將寫有布拉格光柵的光纖的末端豎直放置于聚四氟乙烯容器中，其上端豎直固定在步進電機上； 在聚四氟乙烯容器中加入濃度為n%的氫氟酸腐蝕溶液；啟動步進電機，以速度V1提升寫有布拉格光柵的光纖，并實時監(jiān)測光譜儀和光功率計； 在光功率計顯示的光強減小時增大步進電機的提升速度到V2,并以V2勻速提升有布拉格光柵的光纖，其中V2 =HlV1, 111為11%的氫氟酸腐蝕溶液中光纖纖芯和光纖包層的腐蝕速度比值； 繼續(xù)腐蝕光纖，布拉格光柵的芯模有效折射率Ileff會隨著腐蝕進行逐漸減小，從而導致布拉格中心波長2 = 2niSA向短波漂移，通過光譜儀顯示的布拉格中心波長的漂移量決定是否停止腐蝕，其中J為布拉格中心波，A是布拉格光柵的周期； 當布拉格中心波長漂移量達到目標微納光纖光柵的直徑減小所導致的漂移量時，立即從腐蝕溶液中提起寫有布拉格光柵的光纖，終止腐蝕并沿光纖方向用柔和的氮氣氣流將光纖表面的腐蝕溶液吹干。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種化學腐蝕法制備低損耗微納光纖光柵傳感器的方法和裝置。本發(fā)明中的裝置包括寬帶光源、光纖環(huán)形器、3-dB光纖耦合器、光譜儀、光功率計、步進電機、寫有布拉格光柵的光纖和盛有腐蝕溶液的聚四氟乙烯容器。本發(fā)明通過自動控制技術控制腐蝕寫有布拉格光柵的光纖的速度來制備傳感器。通過緩慢的提升光纖能夠實現(xiàn)光纖漸變區(qū)域平緩的過渡到微納光纖部分，從而減小光纖漸變區(qū)域的折射率變化梯度。本發(fā)明具有精度高、低成本、抗干擾性好、結構簡單實用、適于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。
文檔編號G01D5/353GK102645237SQ20121013266
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權日2012年5月3日
發(fā)明者張業(yè)斌, 張阿平, 白銀冰 申請人:浙江大學