专利名称：化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光电器件技术领域，特别涉及了一种利用步进电机精确控制刻写有光纤光栅的光纤在化学腐蚀溶液中的提升速度来实现低损耗微纳光纤光栅传感器的方法，以及实现该方法的装置。
背景技术：
微纳光纤的直径在微米量级、与通信波段波长相当，具有很强的倏逝场和较高的光功率密度。微纳光纤传输的光场与周围的被测样品有很强的光物质作用以及较长的作用距离，因而能够实现高灵敏度的光学传感。但是单一的微纳光纤传感器是基于外界样品折射率变化引起探测光强变化的透射式光强调制型传感器，容易受到光源稳定性等因素的影响。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)是在光纤纤芯内引入周期性的折射率调制，通过检测外界产量引起的布拉格中心波长的变化能够实现温度、浓度、应力、拉力、弯曲等物理量的测量，是一种实用的反射式波长调制传感器。微纳光纤与光纤布拉格光栅结合的微纳光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、体积小、高灵敏度、高稳定性等优点，具有广泛的应用前景。化学腐蚀制备微纳光纤光栅的方法是利用氢氟酸腐蚀预先写有光纤光栅的光纤，直到光栅区域的直径达到微米量级。化学腐蚀的方法相比在微纳光纤上刻写光栅结构等方法具有实验设备简单、易于调节和适合大批量生产等优点。但是一般腐蚀过程中会引起光纤渐变区域的不对称和折射率突变以及光纤表面的不光滑，从而导致较大的光学损耗，严重限制了腐蚀制备微纳光纤光栅传感器的最小直径和信噪比。因此，在腐蚀过程中通过对光纤渐变区域和光纤表面光滑度进行优化，来获得低损耗的微纳光纤光栅传感器是十分必要的。经检索发现，中国专利申请号为201020256618. 1，名称为一种基于光纤布拉格光栅的折射率传感器，该技术包括一个宽带光源、3-dB光纤稱合器、经腐蚀后的光纤布拉格光栅和光谱仪，其中经腐蚀后的光纤布拉格光栅是指被氢氟酸腐蚀掉包层的光纤布拉格光栅。但是该技术说明了微纳光纤光栅在传感领域的应用能力，但并未考虑腐蚀过程中产生的较大光学损耗问题。由实验得知，这种方法无法获得非常细的微纳光纤光栅，因而限制了微纳光纤光栅传感器的探测灵敏度；同时较大传输损耗引起的较差信噪比也会严重影响微纳光纤光栅传感器的实际探测应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出了一种通过化学腐蚀制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置。本发明是通过以下技术方案实现的
本发明中的装置包括宽带光源、光纤环形器、3-dB光纤耦合器、光谱仪、光功率计、步进电机、写有布拉格光栅的光纤和盛有腐蚀溶液的聚四氟乙烯容器。所述的宽带光源的光信号通过光纤环形器到达光纤布拉格光栅，同时光纤布拉格光栅的反射信号通过光纤环形器输出到3-dB光纤稱合器。所述的3-dB光纤稱合器将光纤布拉格光栅的反射信号传输到光谱仪和光功率计。光谱仪实时监测光纤布拉格光栅腐蚀过程中由于外包层和部分纤芯被腐蚀导致的布拉格中心波长的漂移，控制腐蚀获得的微纳光纤光栅的直径大小。光功率计实时监测光纤布拉格光栅腐蚀过程中反射信号的光强变化。所述的写有布拉格光栅的光纤的末端竖直浸在盛有氢氟酸溶液的聚四氟乙烯容器中。所述的写有布拉格光栅的光纤的上端竖直固定在步进电机上。步进电机提升光纤的速度由计算机实时控制。本发明的方法具体是
用酒精棉擦拭写有布拉格光栅的光纤，之后将写有布拉格光栅的光纤的末端竖直放置于聚四氟乙烯容器中，其上端竖直固定在步进电机上；
在聚四氟乙烯容器中加入浓度为n%的氢氟酸腐蚀溶液；启动步进电机，以速度V1提升写有布拉格光栅的光纤，并实时监测光谱仪和光功率计；
在光功率计显示的光强减小时增大步进电机的提升速度到V2,并以V2匀速提升有布拉格光栅的光纤；其中V2 =HlV1, 111为11%的氢氟酸腐蚀溶液中光纤纤芯和光纤包层的腐蚀速度比值；
继续腐蚀光纤，布拉格光栅的芯模有效折射率1 会随着腐蚀进行逐渐减小，从而导致布拉格中心波长I = 2nsffA向短波漂移，通过光谱仪显示的布拉格中心波长的漂移量决定是否停止腐蚀，
其中』为布拉格中心波，A是布拉格光栅的周期；
当布拉格中心波长漂移量达到目标微纳光纤光栅的直径减小所导致的漂移量时，立即从腐蚀溶液中提起写有布拉格光栅的光纤，终止腐蚀并沿光纤方向用柔和的氮气气流将光纤表面的腐蚀溶液吹干。与现有通过腐蚀制备微纳光纤光栅的技术相比，本发明中的步进电机能够精确控制浸在腐蚀溶液中的光纤提升速度。通过缓慢的提升光纤能够实现光纤渐变区域平缓的过渡到微纳光纤部分，从而减小光纤渐变区域的折射率变化梯度；同时利用光谱仪检测的布拉格中心波长的漂移可以确定外包层被腐蚀完的临界状态，此时适当的增大提升速度可以消除由于外包层和纤芯成分差异导致的腐蚀界面突变，进一步减小光学损耗。由于光纤垂直浸在腐蚀溶液中，并且被垂直提升，所以同时可以减小腐蚀过程中光纤的抖动引起的微纳光纤不对称产生的光学损耗。本发明装置简单、可重复性高，可通过监测多根样品中的单根光纤实现批量制备微纳光纤光栅，对推动基于微纳光纤光栅器件的发展具有重要意义。本发明具有精度高、低成本、抗干扰性好、结构简单实用、适于大批量生产等优点。
图I为本发明的结构示意图
其中1-宽带光源、2-光纤环形器、3-3-dB光纤耦合器、4-光谱仪、5-光功率计、6-写 有布拉格光栅的光纤、7-聚四氟乙烯容器、8-步进电机。
图2为中心波长为1547. 65nm和1547. 89nm的两个FBG在有无精确提升控制腐蚀时其损耗对比图
其中1-中心波长为1547. 65nm的FBG在布拉格中心波长漂移16. 8nm时的反射谱、2-中心波长为1547. 89nm的FBG在布拉格中心波长漂移16. 8nm时的反射谱。图3为本实施例制备的微纳光纤光栅光学显微镜图片,直径为4. 06um。图4为制备的直径与通信波长相当微纳光纤光栅光学显微镜图片，直径为I. 51um。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的方法和装置进一步描述本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例如图I所示，该装置包括一个宽带光源I、一个光谱仪4、一个光功率计5、一个步进电机8和一个写有布拉格光栅的光纤6,其中宽带光源I发出的光经光纤环形器2传输到写有布拉格光栅的光纤6,写有布拉格光栅的光纤6的反射信号经光纤环形器2传输到3-dB光纤耦合器3，传输到3-dB光纤耦合器3的光信号分别传输到光谱仪4和光功率计5，写有布拉格光栅的光纤6的末端竖直放置于聚四氟乙烯容器7中，写有布拉格光栅的光纤6的上端竖直固定在步进电机8上,写有布拉格光栅的光纤6是载氢处理过的普通单模光纤,光栅长度为Icm,位于光纤的末端。本实施例中的步进电机8采用的是北京世纪仪器有限公司MGClOl系列精密电控倾斜台和SC步进电机控制器。本实施例的工作过程用酒精棉擦拭写有布拉格光栅的光纤6，之后将写有布拉格光栅的光纤6的末端竖直放置于聚四氟乙烯容器7中，其上端竖直固定在步进电机8上；在聚四氟乙烯容器7中加入浓度为26%的氢氟酸腐蚀溶液；启动步进电机8，以速度V1提升写有布拉格光栅的光纤6，并实时监测光谱仪4和光功率计5。在光功率计5显示的光强减小时增大提升速度到V2,并以V2匀速提升有布拉格光栅的光纤6 ;其中V2 =1. 33%。继续腐蚀光纤，通过光谱仪4显示的布拉格中心波长的漂移量决定是否停止腐蚀。如图2所示，同一套光栅刻写平台在载氢的标准单模光纤上刻写的中心波长为1547. 65nm和1547. 89nm的两个FBG分别在有无精确提升控制下腐蚀时其中心波长向短波漂移，并且损耗逐渐增大；在中心波长均漂移16. Snm的情况下，施加提升控制制备的微纳光纤光栅相比没有施加提升控制时能够减小6. 29dB的光学损耗。对比光纤直径变化引起的布拉格光栅中心波长漂移的模拟结果，中心波长16. 8nm漂移对应的微纳光纤光栅直径为4um。立即快速从腐蚀溶液中提起写有布拉格光栅的光纤6，终止腐蚀并沿光纤方向用柔和的氮气气流将光纤表面的腐蚀溶液吹干。将聚四氟乙烯容器7中的腐蚀溶液换为去离子水溶液，把腐蚀后的微纳光纤缓慢放入溶液中再做进一步操作。本实施例制备的微纳光纤如图3、图4所示，图3所示的微纳光纤直径为4. 06um,和由布拉格光栅中心波长漂移反推出的微纳光纤直径吻合。图4所示制备的微纳光纤直径为I. 51um,与通信波长相当。
本实施例中把不同折射率的溶液样品放在聚四氟乙烯容器7中利用本实施例所制作的传感器可实现折射率测量。
权利要求
1.化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的装置，包括宽带光源、光纤环形器、3-dB光纤耦合器、光谱仪、光功率计、步进电机、写有布拉格光栅的光纤和盛有腐蚀溶液的聚四氟乙烯容器，其特征在于 宽带光源的光信号通过光纤环形器到达光纤布拉格光栅，同时光纤布拉格光栅的反射信号通过光纤环形器输出到3-dB光纤稱合器； 3-dB光纤耦合器将光纤布拉格光栅的反射信号传输到光谱仪和光功率计； 光谱仪实时监测光纤布拉格光栅腐蚀过程中由于外包层和部分纤芯被腐蚀导致的布拉格中心波长的漂移，控制腐蚀获得的微纳光纤光栅的直径大小； 光功率计实时监测光纤布拉格光栅腐蚀过程中反射信号的光强变化； 写有布拉格光栅的光纤的末端竖直浸在盛有氢氟酸溶液的聚四氟乙烯容器中； 写有布拉格光栅的光纤的上端竖直固定在步进电机上；步进电机提升光纤的速度由计算机实时控制。
2.化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法，其特征在于 用酒精棉擦拭写有布拉格光栅的光纤，之后将写有布拉格光栅的光纤的末端竖直放置于聚四氟乙烯容器中，其上端竖直固定在步进电机上； 在聚四氟乙烯容器中加入浓度为n%的氢氟酸腐蚀溶液；启动步进电机，以速度V1提升写有布拉格光栅的光纤，并实时监测光谱仪和光功率计； 在光功率计显示的光强减小时增大步进电机的提升速度到V2,并以V2匀速提升有布拉格光栅的光纤，其中V2 =HlV1, 111为11%的氢氟酸腐蚀溶液中光纤纤芯和光纤包层的腐蚀速度比值； 继续腐蚀光纤，布拉格光栅的芯模有效折射率Ileff会随着腐蚀进行逐渐减小，从而导致布拉格中心波长2 = 2niSA向短波漂移，通过光谱仪显示的布拉格中心波长的漂移量决定是否停止腐蚀，其中J为布拉格中心波，A是布拉格光栅的周期； 当布拉格中心波长漂移量达到目标微纳光纤光栅的直径减小所导致的漂移量时，立即从腐蚀溶液中提起写有布拉格光栅的光纤，终止腐蚀并沿光纤方向用柔和的氮气气流将光纤表面的腐蚀溶液吹干。
全文摘要
本发明涉及一种化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置。本发明中的装置包括宽带光源、光纤环形器、3-dB光纤耦合器、光谱仪、光功率计、步进电机、写有布拉格光栅的光纤和盛有腐蚀溶液的聚四氟乙烯容器。本发明通过自动控制技术控制腐蚀写有布拉格光栅的光纤的速度来制备传感器。通过缓慢的提升光纤能够实现光纤渐变区域平缓的过渡到微纳光纤部分，从而减小光纤渐变区域的折射率变化梯度。本发明具有精度高、低成本、抗干扰性好、结构简单实用、适于大批量生产等优点。
文档编号G01D5/353GK102645237SQ20121013266
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月3日 优先权日2012年5月3日
发明者张业斌, 张阿平, 白银冰 申请人:浙江大学