專利名稱：化學(xué)腐蝕法制備低損耗微納光纖光柵傳感器的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光電器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種化學(xué)腐蝕法制備低損耗微納光纖光柵傳感器的裝置。
技術(shù)背景 微納光纖的直徑在微米量級(jí)、與通信波段波長(zhǎng)相當(dāng)，具有很強(qiáng)的倏逝場(chǎng)和較高的光功率密度。微納光纖傳輸?shù)墓鈭?chǎng)與周圍的被測(cè)樣品有很強(qiáng)的光物質(zhì)作用以及較長(zhǎng)的作用距離，因而能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的光學(xué)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(cè)光強(qiáng)變化的透射式光強(qiáng)調(diào)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(diào)制，通過檢測(cè)外界產(chǎn)量引起的布拉格中心波長(zhǎng)的變化能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、濃度、應(yīng)力、拉力、彎曲等物理量的測(cè)量，是一種實(shí)用的反射式波長(zhǎng)調(diào)制傳感器。微納光纖與光纖布拉格光柵結(jié)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(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景?；瘜W(xué)腐蝕制備微納光纖光柵的方法是利用氫氟酸腐蝕預(yù)先寫有光纖光柵的光纖，直到光柵區(qū)域的直徑達(dá)到微米量級(jí)。化學(xué)腐蝕的方法相比在微納光纖上刻寫光柵結(jié)構(gòu)等方法具有實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、易于調(diào)節(jié)和適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但是一般腐蝕過程中會(huì)引起光纖漸變區(qū)域的不對(duì)稱和折射率突變以及光纖表面的不光滑，從而導(dǎo)致較大的光學(xué)損耗，嚴(yán)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(duì)光纖漸變區(qū)域和光纖表面光滑度進(jìn)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(guó)專利申請(qǐng)?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(shù)包括一個(gè)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(shù)說明了微納光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用能力，但并未考慮腐蝕過程中產(chǎn)生的較大光學(xué)損耗問題。由實(shí)驗(yàn)得知，這種方法無法獲得非常細(xì)的微納光纖光柵，因而限制了微納光纖光柵傳感器的探測(cè)靈敏度；同時(shí)較大傳輸損耗引起的較差信噪比也會(huì)嚴(yán)重影響微納光纖光柵傳感器的實(shí)際探測(cè)應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出了一種化學(xué)腐蝕法制備低損耗微納光纖光柵傳感器的裝置。本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型包括寬帶光源、光纖環(huán)形器、3-dB光纖耦合器、光譜儀、光功率計(jì)、步進(jìn)電機(jī)、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(hào)通過光纖環(huán)形器到達(dá)光纖布拉格光柵，同時(shí)光纖布拉格光柵的反射信號(hào)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(hào)傳輸?shù)焦庾V儀和光功率計(jì)。光譜儀實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)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(dǎo)致的布拉格中心波長(zhǎng)的漂移。光功率計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纖布拉格光柵腐蝕過程中反射信號(hào)的光強(qiáng)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(jìn)電機(jī)上。步進(jìn)電機(jī)提升光纖的速度由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制。與現(xiàn)有通過腐蝕制備微納光纖光柵的技術(shù)相比，本實(shí)用新型中的步進(jìn)電機(jī)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?qū)崿F(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(shí)利用光譜儀檢測(cè)的布拉格中心波長(zhǎng)的漂移可以確定外包層被腐蝕完的臨界狀態(tài)，此時(shí)適當(dāng)?shù)脑龃筇嵘俣瓤梢韵捎谕獍鼘雍屠w芯成分差異導(dǎo)致的腐蝕界面突變，進(jìn)一步減小光學(xué)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(shí)可以減小腐蝕過程中光纖的抖動(dòng)引起的微納光纖不對(duì)稱產(chǎn)生的光學(xué)損耗。本實(shí)用新型裝置簡(jiǎn)單、可重復(fù)性高，可通過監(jiān)測(cè)多根樣品中的單根光纖實(shí)現(xiàn)批量制備微納光纖光柵，對(duì)推動(dòng)基于微納光纖光柵器件的發(fā)展具有重要意義。本實(shí)用新型具有精度高、低成本、抗干擾性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、適于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)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(jì)、6-寫有布拉格光柵的光纖、7-聚四氟乙烯容器、8-步進(jìn)電機(jī)。圖2為中心波長(zhǎng)為1547. 65nm和1547. 89nm的兩個(gè)FBG在有無精確提升控制腐蝕時(shí)其損耗對(duì)比圖其中1-中心波長(zhǎng)為1547. 65nm的FBG在布拉格中心波長(zhǎng)漂移16. 8nm時(shí)的反射譜、2-中心波長(zhǎng)為1547. 89nm的FBG在布拉格中心波長(zhǎng)漂移16. 8nm時(shí)的反射譜。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步描述本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例如圖I所示，該裝置包括一個(gè)寬帶光源I、一個(gè)光譜儀4、一個(gè)光功率計(jì)5、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)8和一個(gè)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(hào)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(hào)分別傳輸?shù)焦庾V儀4和光功率計(jì)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(jìn)電機(jī)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(zhǎng)度為Icm,位于光纖的末端。本實(shí)施例中的步進(jìn)電機(jī)8采用的是北京世紀(jì)儀器有限公司MGClOl系列精密電控傾斜臺(tái)和SC步進(jìn)電機(jī)控制器。本實(shí)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(jìn)電機(jī)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)8，以速度V1提升寫有布拉格光柵的光纖6，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光譜儀4和光功率計(jì)5?！0025]在光功率計(jì)5顯示的光強(qiáng)減小時(shí)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=L 33'。繼續(xù)腐蝕光纖，通過光譜儀4顯示的布拉格中心波長(zhǎng)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(tái)在載氫的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上刻寫的中心波長(zhǎng)為1547. 65nm和1547. 89nm的兩個(gè)FBG分別在有無精確提升控制下腐蝕時(shí)其中心波長(zhǎng)向短波漂移，并且損耗逐漸增大；在中心波長(zhǎng)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(shí)能夠減小6. 29dB的光學(xué)損耗。對(duì)比光纖直徑變化引起的布拉格光柵中心波長(zhǎng)漂移的模擬結(jié)果，中心波長(zhǎng)16. 8nm漂移對(duì)應(yīng)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?dú)鈿饬鲗⒐饫w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(jìn)一步操作。本實(shí)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(shí)施例所制作的傳感器可實(shí)現(xiàn)折射率測(cè)量。
權(quán)利要求1.化學(xué)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(jì)、步進(jìn)電機(jī)、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(hào)通過光纖環(huán)形器到達(dá)光纖布拉格光柵，同時(shí)光纖布拉格光柵的反射信號(hào)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(hào)傳輸?shù)焦庾V儀和光功率計(jì)； 光譜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dǎo)致的布拉格中心波長(zhǎng)的漂移； 光功率計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纖布拉格光柵腐蝕過程中反射信號(hào)的光強(qiáng)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(jìn)電機(jī)上；步進(jìn)電機(jī)提升光纖的速度由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種化學(xué)腐蝕法制備低損耗微納光纖光柵傳感器的裝置。本實(shí)用新型包括寬帶光源、光纖環(huán)形器、3-dB光纖耦合器、光譜儀、光功率計(jì)、步進(jìn)電機(jī)、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。寬帶光源的光信號(hào)通過光纖環(huán)形器到達(dá)光纖布拉格光柵，同時(shí)光纖布拉格光柵的反射信號(hào)通過光纖環(huán)形器輸出到3-dB光纖耦合器；3-dB光纖耦合器將光纖布拉格光柵的反射信號(hào)傳輸?shù)焦庾V儀和光功率計(jì)；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，其上端豎直固定在步進(jìn)電機(jī)上；步進(jìn)電機(jī)提升光纖的速度由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制。本實(shí)用新型具有精度高、低成本、抗干擾性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、適于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK202793431SQ201220192878
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者張阿平, 白銀冰, 張業(yè)斌 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)