CN102126835A - 基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法，包括以下步骤：将光纤的裸露段插入腐蚀槽的左臂，让光纤另一端穿过U型槽底部从右臂伸出；向腐蚀槽左臂内依次注入高密度非腐蚀液体、腐蚀液体和油封液体，向腐蚀槽右臂内注入水，保持两边液体压力平衡；进入腐蚀过程得到双锥形光纤。通过改变电机转速和方向，从而控制锥形的结构参数。本发明具有系统稳定，重复性好，结构和操作简单，光纤锥形精确可控，锥腰均匀及长度可控等优点。

Description

基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于步进电机控制的三层液体腐蚀制备双锥形光纤的方法及装置。

技术背景

用于倏逝波光纤传感的传感器探头设计有多种：直线型，U型，D型，锥形,抛物线型。其中，锥形,抛物线型的探头具有较高的灵敏度。目前，制备锥形光纤普遍采用的是熔融拉锥法和化学腐蚀法。熔融拉锥法是用激光或氢氧焰将光纤中的一部分加热，向两边拉拽光纤，形成双锥结构光纤。这种方法是通过拉锥速率来控制锥形的，虽然操作简单，系统结构稳定，而且能得到通光效率较高的锥形光纤，但是其控制效果不佳，光纤容易被拉断，并且拉锥需要的精密仪器造价高昂，不宜广泛采用。化学腐蚀法常用的有两种：静态腐蚀和动态腐蚀，目前的文献报导中均只涉及到制备单锥结构的光纤传感头。静态腐蚀是将剥去涂覆层的光纤竖直浸在腐蚀液（HF）中，由于毛细现象，在光纤与液面接触处形成一个新月形，具有一定的高度。随着光纤直径的减小，该高度逐渐降低，从而腐蚀得到一个锥形。通过改变腐蚀液的溶度或温度从而改变锥形结构参数。或者在腐蚀液的表面加盖一层有机油膜，选择合适的油膜成分也可以实现锥形参数的改变。静态腐蚀的装置结构简单，但最大的缺点在于制备的锥形单一，其结构参数可调范围小，不便于精确控制。动态腐蚀是在静态腐蚀的基础上，通过一些方法在腐蚀的过程中改变光纤与腐蚀液面的相对速度，从而改变锥角结构参数。实际使用中，光纤与腐蚀液面的相对速度很小，不宜手动调整达到精确而平稳的移动。有人使用虹吸提升的方法，将腐蚀液容器悬浮在虹吸容器中，通过控制虹吸容器中的水容量减少速率来控制腐蚀液的下降速率，制备出锥角可控的锥形。这种方法结构简单，造价低。但是速率控制没有数字化，仍然难以精确控制可调，再者相对速度也难以实现动态可变，不宜制作出结构复杂的锥形光纤。上述腐蚀制备都仅仅能得到一个锥形结构，无法制备双锥结构光纤。Y.Zaatar将光纤平放，让其中一段浸入腐蚀液制备得到双锥结构光纤，方法简单，但锥形结构参数不可调，且若锥腰腐蚀得太细，则取出该光纤时由于液体表面张力容易弄断锥腰，因此该方法也有一定的局限性。

综上，熔融拉锥和传统的化学腐蚀法均存在各自的优缺点，限制了其使用的范围，寻求结构简单、造价低廉、稳定可靠、锥形结构参数精确可控的双锥结构光纤制备方法显得尤为必要。

发明内容

为克服现有技术的造价高、系统不稳定，结构和操作复杂，光纤锥角不可控等缺点，本发明提供了一种系统稳定，造价低廉、结构和操作简单，光纤锥角可控的基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法及装置。

基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法，包括以下步骤：

1、将光纤的一段剥去涂覆层，形成裸露段的光纤，并将所述的光纤固定于一在步进电机的带动下可上下运动的PVC材质的光纤支架上，将光纤插入到U型腐蚀槽的左臂，让光纤另一端穿过U型槽底部从右臂伸出；

2、向腐蚀槽左臂内依次注入高密度不腐蚀液体、腐蚀液体和油封液体，向腐蚀槽右臂内注入水，保持两边液体压力平衡；所述的不腐蚀液体和腐蚀液体均是针对光纤而言，高密度是针对腐蚀液而言，且上述的相邻两种液体不互溶，保证存在明显的界面；高密度不腐蚀液体的液面超过U型槽底部弯曲部分；腐蚀液深度随锥腰长度而定，要求光纤的裸露段穿越腐蚀液；最后将所述的U型腐蚀槽进入水浴恒温箱内；

3、不启动步进电机，则进入静态腐蚀过程，随着浸入腐蚀液中的裸露光纤的腐蚀，在上下两处液体分界处会分别形成锥形，即得到双锥形光纤；启动步进电机，带动光纤上下运动，则进入动态腐蚀过程，同样在上下两处液体分界处会分别形成锥形，得到双锥形光纤，并且随着光纤上下运动的速率改变，而获得不同结构参数的锥形。

进一步，所述的高密度非腐蚀液体为溴代奈，所述的腐蚀液体为HF，所述的油封液体为葵花籽油。

专用于制备双锥形光纤的装置，包括腐蚀槽，光纤支架，固定光纤支架的载物台和通过竖直放置的丝杆机构与载物台联动的步进电机；所述的腐蚀槽浸入一水浴恒温箱内；

其特征在于：所述的腐蚀槽从上到下依次设置油封液体层、腐蚀层和高密度非腐蚀液体层；所述的步进电机的输出轴与丝杆固接，所述的载物台与丝杠螺母固接。

进一步，所述的载物台上固接有铜柱，所述的铜柱前端设有螺纹，所述的光纤支架上设有与所述的铜柱的螺纹配合的螺孔。

进一步，所述的步进电机和丝杠机构安装于固定三脚架上，所述的固定三脚架上设有允许所述的载物台沿其上下运动的导轨。

进一步，所述的腐蚀槽为U型管状容器，所述的U型管底部为高密度非腐蚀液体，U型管的左臂中从上到下依次为所述的油封液体、腐蚀液体和高密度非腐蚀液体，U型管的右臂内盛装水。

进一步，油封液体为葵花籽油，腐蚀液体为HF，高密度非腐蚀液体为溴代萘。

本发明的技术构思是：在腐蚀槽内同时设置非腐蚀液体和腐蚀液体，经剥去涂覆层的光纤置入腐蚀槽内，其中，光纤的裸露段跨过非腐蚀液体层和腐蚀液体层，利用毛细现象，在上下两个液体分界处腐蚀得到双锥形。

在腐蚀液体层的上方用葵花籽油进行油封，防止腐蚀液挥发。此时，使光纤的裸露段依次跨过油层，HF腐蚀液和溴代萘。

通过控制步进电机的运动模式和运行速率，即可控制光纤和液体分界层的相对运动方向和速率，从而达到控制锥角的目的。

本发明具有系统稳定，造价低廉、结构和操作简单，光纤锥角可精确控制，方便制备复杂形状双锥形光纤的优点。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为光纤支架的示意图。

图3为腐蚀槽的示意图。

图4为带有步进电机的导轨的示意图。

图5为导轨与固定三脚架连接的示意图。

具体实施方式

实施例一

参照图1-5

基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法，包括以下步骤：

1、将光纤的一段剥去涂覆层，形成裸露段的光纤，并将所述的光纤固定于一在步进电机的带动下可上下运动的PVC材质的光纤支架上，将光纤插入到U型腐蚀槽的左臂，让光纤另一端穿过U型槽底部从右臂伸出；

2、向腐蚀槽左臂内依次注入高密度不腐蚀液体、腐蚀液体和油封液体，向腐蚀槽右臂内注入水，保持两边液体压力平衡；所述的不腐蚀液体和腐蚀液体均是针对光纤而言，高密度是针对腐蚀液而言，且上述的相邻两种液体不互溶，保证存在明显的界面；高密度不腐蚀液体的液面超过U型槽底部弯曲部分；腐蚀液深度随锥腰长度而定，要求光纤的裸露段穿越腐蚀液；最后将所述的U型腐蚀槽进入水浴恒温箱内；

3、不启动步进电机，则进入静态腐蚀过程，随着浸入腐蚀液中的裸露光纤的腐蚀，在上下两处液体分界处会分别形成锥形，即得到双锥形光纤；启动步进电机，带动光纤上下运动，则进入动态腐蚀过程，同样在上下两处液体分界处会分别形成锥形，得到双锥形光纤，并且随着光纤上下运动的速率改变，而获得不同结构参数的锥形。

所述的高密度非腐蚀液体为溴代奈，所述的腐蚀液体为HF，所述的油封液体为葵花籽油。

实施例二

参照图1-5

专用于制备双锥形光纤的装置，包括腐蚀槽1，光纤支架2，固定光纤支架2的载物台3和通过竖直放置的丝杆机构与载物台3联动的步进电机4；所述的腐蚀槽1浸入一水浴恒温箱5内；

所述的腐蚀槽1从上到下依次设置油封液体层13、腐蚀液体层11和高密度非腐蚀液体层12；所述的步进电机4的输出轴与丝杆固接，所述的载物台3与丝杠螺母固接。

所述的载物台上3固接有铜柱31，所述的铜柱31前端设有螺纹，所述的光纤支架2上设有与所述的铜柱31的螺纹配合的螺孔21。

光纤6通过黏胶固定于所述的光纤支架2上。

所述的步进电机4和丝杠机构安装于固定三脚架7上，所述的固定三脚架7上设有允许所述的载物台3沿其上下运动的导轨8。

所述的腐蚀槽1为U型管状容器，所述的U型管底部为高密度非腐蚀液体，U型管的左臂管道c内从上到下依次为所述的油封液体、腐蚀液体和高密度非腐蚀液体，U型管的右臂d内盛装水14。

所述的油封液体层13为葵花籽油，腐蚀液体为HF，高密度非腐蚀液体为溴代萘。

本发明的技术构思是：在腐蚀槽1内同时设置腐蚀液体层11和非腐蚀液体层12，经剥去涂覆层的光纤6置入腐蚀槽1内，其中，光纤6的裸露段跨过腐蚀液体层11和非腐蚀液体层12，利用毛细现象，光纤6在上下两种液体分界层处被腐蚀得到双锥形结构。

在腐蚀液体层11上方用葵花籽油13油封，防止腐蚀液体挥发。此时，使光纤6的裸露段依次跨过葵花籽油，HF腐蚀液和溴代萘。

通过控制步进电机的运动模式和运行速率，即可控制光纤与上下两个液体分界层的相对运动方向和速率，达到控制锥角结构参数的目的。通过改变电机转速和方向，从而控制锥形的结构参数。

实施例三

从实验操作顺序上进一步说明本发明：

首先：进行腐蚀前的准备工作。

第一，开启水浴恒温箱，设定温度（大于室温）；

第二,，将带有步进电机的导轨倒置固定在三脚架上；

第三，将预腐蚀光纤中的一段用剥线钳剥去涂覆层，用无水乙醇擦净，用粘胶将光纤固定在光纤支架上再将光纤支架通过铜柱和螺母固定在导轨的载物台上；连同光纤支架插入U型容器左臂，光纤下端经U型容器底部从右臂伸出；

第四，向腐蚀槽中加适量的溴代萘，再向c口依次加入腐蚀液（HF），葵花籽油，在d口加入适量的水。

说明及注意事项：1)向腐蚀槽中加水有两个作用：其一，维持U型容器两边压力平衡，其二，减少溴代萘的用量，降低实验成本。2）应保证加入的溴代萘填满U型槽的底部弯曲部分。3）应保证剥去涂覆层的一段光纤位于ab之间，且跨过油封层，腐蚀液（HF）和溴代萘这三层液体。4）腐蚀液体层的深度由预制备锥腰的长度决定。

然后：将准备好的水浴恒温箱，光纤支架，腐蚀槽，带有步进电机的导轨，和固定用三脚架置于光学平台上，如图1所示。连接好步进电机与PC的串口线，打开步进电机驱动电源，准备开始实验。

最后：通过对软件界面的控制，选择步进电机运行的模式和运行的速率，就可以方便的腐蚀出预制备的双锥形结构光纤。匀速运行模式可以腐蚀出近线性的双锥，变速的运行模式可以腐蚀复杂线型的双锥。

所使用的光纤支架是由耐腐蚀材料聚四氟乙烯制作而成。将光纤剥去涂覆层的部分置于光纤支架的两端之间。并用粘胶将光纤固定在光纤支架上。光纤支架通过螺孔和铜柱固定在导轨的载物台上。

所用的光纤腐蚀槽是由耐腐蚀材料聚四氟乙烯制作而成，是两端开口的U型槽。其内装有四种液体，在c口从上至下分别为葵花籽油，腐蚀液（HF），溴代萘；在d口从上至下分别为水，溴代萘，并且腐蚀液的深度要小于剥去涂覆层部分光纤的长度。

所使用的步进电机具有高精度步距，步距角为1.8度，所用的驱动最大细分数为40。为了降低中心，将步进电机导轨倒置地与三脚架固定。

理论上载物台平移的速率最小为0.125微米每秒，运行模式可分为：匀速，间隔匀速和变速。以此来控制预腐蚀双锥的锥形。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法，包括以下步骤：

1）将光纤的一段剥去涂覆层，形成裸露段的光纤，并将所述的光纤固定于一在步进电机的带动下可上下运动的PVC材质的光纤支架上，将光纤插入到U型腐蚀槽的左臂，让光纤另一端穿过U型槽底部从右臂伸出；

2）向腐蚀槽左臂内依次注入高密度非腐蚀液体、腐蚀液体和油封液体，向腐蚀槽右臂内注入水，保持两边液体压力平衡；所述的不腐蚀液体和腐蚀液体均是针对光纤而言，高密度是针对腐蚀液而言，且上述的相邻两种液体不互溶，保证存在明显的界面；高密度非腐蚀液体的液面超过U型槽底部弯曲部分；腐蚀液深度随锥腰长度而定，要求光纤的裸露段穿越腐蚀液；最后将所述的U型腐蚀槽进入水浴恒温箱内；

 3）不启动步进电机，则进入静态腐蚀过程，随着浸入腐蚀液中的裸露光纤的腐蚀，在上下两处液体分界处会分别形成锥形，即得到双锥形光纤；启动步进电机，带动光纤上下运动，则进入动态腐蚀过程，同样在上下两处液体分界处会分别形成锥形，得到双锥形光纤，并且随着光纤上下运动的速率改变，而获得不同结构参数的锥形。

2.如权利要求1所述的基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法，其特征在于：所述的高密度非腐蚀液体为溴代奈，所述的腐蚀液体为HF，所述的油封液体为葵花籽油。

3. 使用如权利要求1所述的基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法制备双锥形光纤的装置，包括腐蚀槽，光纤支架，固定光纤支架的载物台和通过竖直放置的丝杆机构与载物台联动的步进电机；所述的腐蚀槽浸入一水浴恒温箱内；

其特征在于：所述的腐蚀槽从上到下依次设置密度小的不腐蚀液体、腐蚀液体和密度较大的不腐蚀液体；所述的步进电机的输出轴与丝杆固接，所述的载物台与丝杠螺母固接。

4.如权利要求3所述的制备双锥形光纤的装置，其特征在于：所述的载物台上固接有铜柱，所述的铜柱前端设有螺纹，所述的光纤支架上设有与所述的铜柱的螺纹配合的螺孔。

5.如权利要求4所述的制备双锥形光纤的装置，其特征在于：所述的步进电机和丝杠机构安装于固定三脚架上，所述的固定三脚架上设有允许所述的载物台沿其上下运动的导轨。

6.如权利要求3-5之一所述的制备双锥形光纤的装置，其特征在于：所述的腐蚀槽为U型管状容器，所述的U型管底部为高密度非腐蚀液体，U型管的左臂内从上到下依次为所述的油封液体、腐蚀液体和高密度非腐蚀液体，U型管的右臂内盛装水。

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