光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件及其制备系统的制作方法

本实用新型涉及光纤传感领域，尤其涉及一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件及其制备系统。

背景技术：

聚合物材料相对比石英因具有非常好的材料特性而广泛应用于光纤传感或通信领域，用聚合材料制备的聚合物光纤布拉格光栅器件具有更高的灵敏度，有望用于生物体内温度的监测。

现有的制备此聚合物功能微结构的方法有如下：离子束刻蚀法、双光子聚合加工法和紫外掩膜版曝光法等，其中，利用离子束刻蚀法仅可在平面进行加工且无法实现复杂三维结构的加工，因此加工出来的设备不利于光纤系统的集成；双光子聚合加工法可以实现复杂三维聚合物微结构的加工，但因为聚合物较差的机械性的局限，也不能很好的实现光纤集成；紫外掩膜版曝光法制备的聚合物结构一般在聚合物光纤中制备布拉格光栅，此制作手法单一，加工有局限性，且聚合物光纤不利于与石英光纤的熔接，因此，此方法制备的聚合物结构不利于光纤系统的集成。上述现有的制备聚合物功能微结构的方法均不能很好的将聚合物的材料特性与光纤的传输特性结合在一起，实现复杂聚合物功能微结构与光纤的集成。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件及其制备系统，用于解决现有技术不能实现复杂聚合物功能微结构与光纤的集成的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型第一方面提供一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件，所述光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件包括：实心光纤、空芯光纤和无色且透明的光刻胶材料；

所述空芯光纤熔接在两根所述实心光纤之间；

所述空芯光纤内部的通槽垂直于所述空芯光纤的内壁；

所述光刻胶材料位于所述空芯光纤的内部的通槽中；

所述空芯光纤内部通槽中的所述光刻胶材料具有聚合物微纳结构。

本实用新型第二方面提供一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的制备系统，所述制备系统包括：实心光纤、空芯光纤、熔接机、无色且透明的光刻胶材料、具有旋转夹具的三维位移平台、飞秒激光烧蚀系统和飞秒激光双子聚合系统；

所述熔接机用于将所述空芯光纤熔接在两根所述实心光纤之间；

所述具有旋转夹具的三维位移平台用于固定所述空芯光纤；

所述飞秒激光烧蚀系统用于在所述空芯光纤内部烧蚀出垂直于内壁的通槽；

所述光刻胶材料用于填充所述空芯光纤内部的空心区域；

所述飞秒激光双子聚合系统用于将所述空芯光纤中的光刻胶材料进行聚合加工，形成光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件。

本实用新型提供一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件及其制备系统，该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件中空芯光纤已与两根实心光纤连接，且空芯光纤内部具有聚合物微纳结构，使该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件具有聚合物功能特性，同时，因该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件两端为实心光纤，该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件两端与其他石英光纤的连接方便，很好的将聚合物的材料特性与光纤的传输特性结合在一起，实现复杂聚合物功能微结构与光纤的集成，使光纤通信光学器件向小型化发展。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型第一实施例提供的一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的结构示意图；

图2为本实用新型第二实施例提供的另一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的结构示意图；

图3为光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的示意图；

图4为本实用新型第二实施例提供的温度传感测试的光谱漂移透射光谱图和拟合波长与温度的变化图；

图5为本实用新型第三实施例提供的一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的制备系统的结构示意图；

图6为空芯光纤与两根实心光纤熔接后的结构示意图；

图7为空芯光纤进行烧蚀处理后的示意图；

图8为本实用新型第三实施例提供的光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的制备系统的增加模块的结构示意图；

图9为空芯光纤内部的光刻胶材料进行聚合加工后的示意图；

图10为本实用新型第三实施例获得的光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的结构示意图；

图11为光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件进行温度传感测试的示意图。

具体实施方式

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

由于现有技术中不能实现复杂聚合物功能微结构与光纤的集成的技术问题。为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件。

请参阅图1，为本实用新型第一实施例提供的一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的结构示意图，该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件包括：实心光纤101、空芯光纤102和无色且透明的光刻胶材料103；

空芯光纤102熔接在两根实心光纤101之间，空芯光纤102的通槽垂直于空芯光纤102的内壁，光刻胶材料103位于空芯光纤102的内部的通槽中，且空芯光纤102内部通槽中的光刻胶材料103具有聚合物微纳结构。

其中，空芯光纤102的外径与两根实心光纤101的外径相同，空芯光纤102的内径大于实心光纤101的纤芯直径。

进一步地，光刻胶材料103具有的聚合物微纳结构为光栅结构，该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的空芯光纤内部结构具体为聚合物光纤布拉格光栅，该聚合物光纤布拉格光栅具有较高的灵敏度，从而该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件具有较高的灵敏度。

从图1本实用新型第一实施例提供的光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件可知，该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件中空芯光纤已与两根实心光纤连接，且空芯光纤内部具有聚合物微纳结构，使该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件具有聚合物功能特性，同时，因该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件两端为实心光纤，该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件两端与其他石英光纤的熔接方便，很好的将聚合物的材料特性与光纤的传输特性结合在一起，实现复杂聚合物功能微结构与光纤的集成，使光纤通信光学器件向小型化发展。

请参阅图2，图2为本实用新型第二实施例提供的另一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的结构示意图，与第一实施例不同的是，在本实施例中实心光纤具体采用的是单模光纤，光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件包括：单模光纤201、空芯光纤202和光刻胶材料203。

其中，光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的空芯光纤内部结构为聚合物光纤布拉格光栅。如图3所示，图3为光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的示意图，由左端进入的入射光因中间聚合物布拉格光栅的调制，在出射端会产生一个谐振谷，在反射端会产生一个谐振峰，当外界温度环境变化时，由于热光效应，材料的折射率会产生一个谐振的折射率会有相应变化，从而导致布拉格谐振波长的漂移，通过检测谐振波长的漂移变化，可标定外界的温度变化，其中满足布拉格效应的方程为：

mλb＝2nΛ

其中，m是布拉格光栅的阶数，λb是布拉格谐振波长，n是光传播介质的有效折射率，Λ是布拉格光栅的光栅常数。

在本实用新型实施例中，空芯光纤的内径和外径分别为30um和125um，如图4所示，图4为本实用新型第二实施例提供的温度传感测试的光谱漂移透射光谱图和拟合波长与温度的变化图，图4(a)为图4中位于上方的图，图4(b)为图4中位于下方的图，图4(a)为温度传感测试的光谱漂移透射光谱图，图4(b)为温度传感测试中拟合波长与温度的变化图，如图4(a)所示，布拉格谐振波长在24℃时为1558.5nm，温度炉中的温度从24℃每次升温2℃，逐步上升到40℃，从图4(a)显示，随着温度的逐步升高，布拉格谐振波长明显向短波方向移动，由于聚合物的高热光系数，当外界温度上升时，由于热光效应导致聚合物材料折射率变化，从而导致如图4(b)所示的温度与谐振波长之间的变化关系，从图4(b)可知，光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件具有较好的线性灵敏度，通过温度传感测试得到的温度灵敏度为-220pm/℃，相较于基于聚合物光纤内制作布拉格光栅温度传感器灵敏度有明显提高。

从图2本实用新型第二实施例提供的另一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件可知，第一方面，光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件很好的将聚合物的材料特性与光纤的传输特性结合在一起，实现复杂聚合物功能微结构与光纤的集成；第二方面，从该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件进行温度传感测试的结果显示，该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的灵敏度较高。

请参阅图5，图5为本实用新型第三实施例提供的一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的制备系统的结构示意图，该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的制备系统包括：实心光纤1、空芯光纤2、熔接机3、具有旋转夹具的三维位移平台4、飞秒激光烧蚀系统5、无色且透明的光刻胶材料6和飞秒激光双子聚合系统7，其中，熔接机3用于将空芯光纤2熔接在两根实心光纤1之间，具有旋转夹具的三维位移平台4用于固定空芯光纤2，飞秒激光烧蚀系统5用于在空芯光纤2内部烧蚀出垂直于内壁的通槽8，光刻胶材料6用于填充空芯光纤2内部的空心区域，飞秒激光双子聚合系统7用于将空芯光纤2中的光刻胶材料6进行聚合加工。

具体地，熔接机3将一段空芯光纤2熔接在两根实心光纤1之间，具有旋转夹具的三维位移平台4固定已熔接在两根实心光纤1之间的空芯光纤2，飞秒激光烧蚀系统5将固定在具有旋转夹具的三维位移平台4上的空芯光纤2的内部烧蚀出垂直于内壁的通槽8，光刻胶材料6填充空芯光纤2内部的空心区域，即填满该空芯光纤2内部的通槽8，飞秒激光双子聚合系统7将空芯光纤2通槽8中的光刻胶材料6进行聚合加工，使其具有聚合物微纳能结构，从而获得光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件。

其中，如图6所示，图6为空芯光纤与两根实心光纤熔接后的结构示意图，空芯光纤2连接在两根实心光纤1之间，其中，空芯光纤2的外径与两根实心光纤1的外径相同，空芯光纤2的内径大于实心光纤1的纤芯直径，空芯区域存在外壁，图6未具体示出外壁的特征。

需要说明的，光刻胶材料6开始填充空芯光纤2内部的空心区域时，为液态，静置后，成固态。

进一步地，具有旋转夹具的三维位移平台4有两个旋转夹具，熔接在空芯光纤2两端的两根实心光纤1分别固定于两个旋转夹具中，使空芯光纤悬挂在两个该旋转夹具之间，从而使空芯光纤固定在三维位移平台4上，以便飞秒激光烧蚀系统5对空芯光纤2进行烧蚀处理。

其中，空芯光纤2固定在具有旋转夹具的三维位移平台4之后，飞秒激光烧蚀系统5在空芯光纤2内部的纤芯垂直方向烧蚀出对穿的槽8，烧蚀出的槽垂直于内壁(即为内壁弧面法线方向的空槽)，如图7所示，图7为空芯光纤进行烧蚀处理后的示意图，其中，烧蚀处理是将空芯的外壁烧蚀掉，即飞秒激光烧蚀系统5将空芯光纤2空芯的外壁烧蚀掉，使空芯光纤2内部烧出的对槽相通形成空芯光纤内部的一个通槽8。

需要说明的是，具有旋转夹具的三维位移平台4可为任意具有两个旋转夹具的三维平台，因此本实施例未具体示出具有旋转夹具的三维位移平台4的结构。

可选地，空芯光纤2也可以用毛细石英玻璃管代替。

进一步地，如图8所示，图8为本实用新型第三实施例提供的光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的制备系统的增加模块的结构示意图，该制备系统还包括粘接胶9和超声清洗机10，粘接胶9用于将烧蚀后的空芯光纤2两端的两根实心光纤1固定在同一玻璃片上，以使空芯光纤固定在该玻璃片的两固化点之间，超声清洗机10用于将固定在玻璃片上的空芯光纤进行超声清洗，其中，超声清洗机中装有酒精，可以洗去飞秒激光烧蚀系统5在空芯光纤2内部烧蚀出通槽的过程中产生的碎屑和杂质。

在本实用新型实施例中，粘接胶9具体采用的是紫外固化胶。

进一步地，如图8所示，该制备系统还包括显影液11，显影液11用于将经过聚合加工处理后的空芯光纤2进行清洗，获得内部具有聚合物微纳结构的光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件，其中，飞秒激光双子聚合系统7将空芯光纤2的通槽8中的光刻胶材料6进行聚合加工。如图9所示，图9为空芯光纤内部的光刻胶材料进行聚合加工后的示意图，加工后空芯光纤2内部呈光栅结构，图9中，空芯光纤2内部具有光栅12、波导13和基底14，但是还存在未固化的光刻胶材料6，因此，需要利用显影液11对已进行聚合加工处理的空芯光纤2进行清洗，洗去未固化的光刻胶材料6，得到成品的光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件，得到的光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件如图10所示，图10为本实用新型第三实施例获得的光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的结构示意图，空芯光纤2内部为光栅结构。

可选地，显影液11为具有特定比例的丙酮与异丙醇混合液。

可选地，无色透明的光刻胶材料6也可为其他无色透明聚合材料。

进一步地，飞秒激光双子聚合系统7包括飞秒激光器，该飞秒激光器为近红外波段的飞秒激光器，激光重复频率范围为1kHz到1MHz之间，激光脉冲宽度的范围为25飞秒到300飞秒。在本实用新型实施例中，飞秒激光器输出激光脉冲的重复频率为1kHz到220kHz且可调，调整激光装置，形成脉冲宽度为80飞秒，输出1026nm的激光波长。

进一步地，如图8所示，制备系统还包括可编程控制的三维位移平台15，可编程控制的三维位移平台15用于控制聚合物微纳结构的结构特征。可编程控制的三维位移平台15中具有集成软件，可利用该集成软件的程序控制三维位移平台对光刻胶材料的聚合加工，从而控制聚合加工形成的聚合物微纳结构的结构特征，该结构特征包括：结构尺寸、结构形貌等，同时控制因改变结构特征而变化的性能，如光栅反射率等。因此，可对三维位移平台的集成软件进行编程仿真得到理想的聚合物微纳结构。

需要说明的是，可编程控制的三维位移平台15可为任意可编程控制的三维位移平台，因此本实施例未具体示出可编程控制的三维位移平台15的结构。

进一步地，如图9所示，该制备系统还包括温度传感测试系统16，温度传感测试系统16用于对光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件进行温度传感测试；

如图11所示，图11为光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件进行温度传感测试的示意图，温度传感测试系统16包括：温度可控的密封温度炉1601、宽带光源1602和光谱仪1603。

其中，样品17为光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件，光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件位于密封温度炉1601中，光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件左端连接宽带光源1602的输出端，光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件右端连接光谱仪1603，可通过控制密封温度炉中的温度来测试光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件对温度的响应。

从图5本实用新型第三实施例提供的光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件的制备系统可知，该制备系统的熔接机用于将空芯光纤熔接在两根实心光纤之间，再在光纤内部制备聚合物微纳结构，使其得到光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件具有聚合物功能特性，同时，因制备出的光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件两端为实心光纤，该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件两端与其他石英光纤连接时也较为方便，该光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件很好地将聚合物的材料特性与光纤的传输特性结合在一起，实现复杂聚合物功能微结构与光纤的集成。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本实用新型所提供的一种光纤内集成聚合物微纳结构的光纤器件及其制备系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。