CN102853953A

CN102853953A - 一种基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置及制备

Info

Publication number: CN102853953A
Application number: CN2012103438409A
Authority: CN
Inventors: 徐飞; 罗炜; 寇君龙; 陆延青; 胡伟
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2013-01-02

Abstract

一种基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置及制备，包括宽带光源、光谱分析仪、环路器、微光纤布拉格光栅、拉力施加装置；微光纤布拉格光栅检测信号的输入至环路器及光栅反射信号；拉力施加装置通过所施加的拉力或重力施加于微光纤布拉格光栅；宽带光源从环路器施加于微光纤布拉格光栅，从环路器输出端的光栅反射信号输至光谱分析仪；光谱分析仪在1525nm~1610nm的范围内以0.10nm以上的分辨率对由环路器输入的布拉格光栅反射信号进行监测。传感器的关键部件微光纤布拉格光栅长度仅为数百微米，具有微型化和集成化的潜力和优势。

Description

一种基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置及制备

一、技术领域

本发明涉及微光学元件，具体涉及一种利用微加工技术加工非光敏光纤得到的微光纤布拉格光栅微拉力传感装置及制备工艺及应用。

二、背景技术

光纤布拉格（Bragg）光栅是沿着长度方向对光纤有效折射率进行周期性调制形成的空间位相光栅，其作用的实质是在光纤内形成一个窄带的滤光器或反射镜。自1978年第一只光纤布拉格光栅出现以来，其被广泛应用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传感器和各种传感网络中。传统的光纤布拉格光栅长度为数毫米，直径为数百微米，较大的尺寸限制了光纤布拉格光栅器件的性能，并使其在折射率传感和微区探测等应用中遇到难以克服的困难。

随着低损耗微光纤的出现，问题得以解决。微光纤周围存在的强倏逝场，使微光纤制成的布拉格光栅器件对环境的折射率变化十分敏感。光纤布拉格光栅与光纤半径相关的一些性能，例如对外力的灵敏度，也由于微光纤较小的半径而相应得到较大的提高。微光纤较小的尺寸同时也让光纤布拉格光栅器件的微型化和集成化成为可能。

此外，微光纤的出现，拓展了光纤布拉格光栅的制备方法。光纤布拉格光栅的制备方法从传统的相位掩膜法，进一步发展出聚焦离子束（FIB）刻蚀法、飞秒激光辐照法等不依赖光纤光敏性质的微加工制备方法。特别是聚焦离子束刻蚀法引入的强折射率调制，可以有效减少光纤布拉格光栅尺寸，由此方法制备的微光纤布拉格光栅最短可达到10¹~10²μm量级。

目前尚无利用聚焦离子束技术等微加工技术实现的非光敏微光纤布拉格光栅应用于力学传感的报道。我们正是将此类微光纤布拉格光栅引入微拉力传感应用中，开创了一种高灵敏度的微型化力学传感技术。

三、发明内容

本发明目的是：提供一种基于微光纤布拉格光栅的新型传感器的制备工艺及应用。本发明列出了利用聚焦离子束等微加工技术制备非光敏的微光纤布拉格光栅微拉力传感器的工艺流程和参数控制，并列举了该微拉力传感器的具体应用。本发明能稳定、高效地监测传感器所受微小拉力，结合相关器件可以实现对力的高精度反馈控制。

本发明的技术方案是：一种基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置及制备工艺及应用，包括宽带光源（例如ASE光源）、光谱分析仪、环路器、微光纤布拉格光栅、拉力施加装置；微光纤布拉格光栅检测信号的输入至环路器及光栅反射信号；光谱分析仪在1525nm~1610nm的范围内以0.10nm或更高的分辨率对由环路器输入的布拉格光栅反射信号进行监测；拉力施加装置通过所施加的拉力或重力施加于微光纤布拉格光栅；宽带光源从环路器施加于微光纤布拉格光栅，从环路器输出端的光栅反射信号输至光谱分析仪。

在实际应用中，可以将拉力施加装置与检测对象连接，从而使检测对象的拉力信号传导到微拉力传感器中，还可以根据具体情况改变光谱分析仪的分辨率。

①微光纤的拉制；热源对光纤局部进行加热拉锥，拉制成的微光纤由端部、过渡区及腰部三部分共同组成；端部保持标准光纤直径125微米，与标准光纤器件连接，用于光信号的输入和输出；过渡区为圆台形，直径由125微米逐步过渡到腰部直径大小；腰部直径在数微米至数百纳米；②利用聚焦离子束加工技术，在固定于特制样品台上的微光纤表面，写入周期性沟槽结构，引入强有效折射率调制，制成长度较短的光纤布拉格光栅；③在此基础上，搭建起微拉力传感器装置：将微光纤布拉格光栅从特制样品台取下，搭建传感器装置；

进一步的，在于腰部最小直径为2±0.2微米的光纤，腰部长约4cm，总损耗约为2dB。

光纤布拉格光栅为周期性沟槽的结构，有关参数为：布拉格光栅的周期为550-600nm，占空比约为1:1，使得布拉格波长能落在1550nm附近。沟槽结构的深度设为50nm，总周期数为70-150。

发明原理：

光纤有效折射率与芯层半径、包层材料折射率有关。微光纤的包层一般为空气层，空气包层折射率确定的情况下，在微光纤表面刻蚀周期性槽型结构，实质上是通过对微光纤半径即芯层半径的调制，从而实现对光纤有效折射率的周期性调制。这样形成的布拉格光栅是结构型布拉格光栅。

光纤布拉格光栅对特定波长的光具有很强的反射作用，这个波长即为布拉格波长λ_B，由布拉格条件描述

λ_B＝2n_effΛ

其中n_eff为光纤有效折射率，Λ为光栅周期。外力通过弹性形变和弹光效应，能同时改变光纤有效折射率n_eff及光栅周期Λ，从而改变光栅所对应的布拉格波长λ_B。光纤布拉格光栅的力学传感正是利用对布拉格波长λ_B的监测，实现对力的传感。

光纤布拉格光栅对外力的响应由力灵敏度S_F描述，其中

S_{F} = \frac{0.79 λ_{B}}{AE}

A是光纤的截面积，E是光纤材料的杨氏模量。由此我们可以得到光纤布拉格光栅的力灵敏度S_F与光纤的截面积A成反比，微光纤制成的布拉格光栅灵敏度远远大于标准光纤布拉格光栅。

本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）利用聚焦离子束等微加工技术在微光纤表面直接刻蚀周期性槽型结构形成布拉格光栅，与传统光纤光栅写入技术相比，不需要依赖光纤材料的光敏性质，使光栅的写入过程大大简化。（2）由于槽型结构能引入较强的有效折射率调制，因此可以大大缩短光栅长度，传统光纤光栅长度一般为几个毫米，而利用聚焦离子束加工技术写入的微光纤光栅长度在数百微米时也能表现出良好的布拉格光栅性质。（3）微光纤布拉格光栅对拉力的灵敏度相比传统光纤光栅有2~3个数量级上的提高，能稳定、高效、高分辨率地响应施加在光纤上的微小拉力，实现拉力的高精度测量反馈。由聚焦离子束加工技术写入的周期性沟槽结构，比一般写入技术能引入更强的有效折射率调制，从而可以制得长度较短，光栅效应明显的光纤布拉格光栅。本发明拉力施加装置组成的微拉力传感器，对施加的微小拉力具有极高的灵敏度，较典型标准光纤布拉格光栅的拉力灵敏度1nm/N。微光纤布拉格光栅长度仅为数百微米，具有微型化和集成化的潜力和优势。

四、附图说明

图1a实施例微光纤布拉格光栅5000倍显微照片

图1b实施例微光纤布拉格光栅12000倍显微照片

图2微拉力传感器装置示意图

图3实施例微光纤布拉格光栅在不同拉力下的反射谱

图4实施例微光纤布拉格光栅灵敏度线性拟合

五、具体实施方式

下面通过实施例来进一步阐明本发明方法及应用，但不是要用实施例来限制本发明。

本发明是一种利用聚焦离子束等微加工技术制备的新型布拉格光栅传感器。包括非光敏的微光纤拉制，布拉格光栅写入，传感装置搭建三个步骤。具体方案如下：

1.微光纤是一种通过热源对光纤局部进行加热拉锥，改变普通光纤沿轴向的半径分布，从而改变模式传输特性的特种光纤。由端部、过渡区及腰部三部分共同组成。端部保持标准光纤直径125微米，一般与标准光纤器件连接，用于光信号的输入和输出。过渡区为圆台形，直径由125微米逐步过渡到腰部直径大小，过渡区的形状对微光纤的模式传输特性有着重要影响。腰部是体现微光纤特殊传输特性的区域，直径通常在数微米甚至数百纳米，光在微光纤腰部传输具有很强的倏逝场，其分布较普通光纤显著增强。

2.微光纤的制备方法主要分为四类：蓝宝石光纤辅助的两步拉伸法、块材直拉法、火焰拉伸法以及激光拉伸法。本发明中使用火焰拉伸法，具体方法如下：一束尺寸约为毫米量级的火焰加热光纤的被拉伸部分，光纤两端分别固定在两个平移台上，平移台相对运动，对光纤施加拉伸的张力。火焰在光纤下部，沿长度方向几十毫米范围内来回移动。这种方法简单方便，能得到长度较长、腰部均匀且过渡区域形状精确可控的微光纤，损耗可低至10^-3dB/mm。

3.微光纤布拉格光栅由聚焦离子束系统等手段写入。聚焦离子束系统是用聚焦离子束代替扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）中所用的电子作为仪器探测源的显微分析和加工系统。在聚焦离子束加工系统中，来自离子源的离子束经过加速、质量分析、整形处理后，聚焦在样品表面，束斑直径可达到几个纳米。聚焦离子束系统通过离子束轰击样品表面来实现对样品的加工，在加工过程中，高能离子束聚焦在样品表面进行逐点轰击，通过计算机控制束扫描器和消隐组件来加工特定的图案。本发明将微光纤固定在特制的样品台，通过加速后的离子束在微光纤表面刻蚀周期性起伏的槽型结构。周期性槽型结构对微光纤引入有效折射率周期性调制，从而实现布拉格光栅的作用。利用其他技术手段包括光刻,纳米压印等也可以实现类似效果.

4.微拉力传感器主要由五部分组成：光源、光谱分析仪、环路器、微光纤布拉格光栅、加力装置。光源采用波长在1550nm附近的宽带光源，具体使用范围是1525nm~1610nm。环路器完成对微光纤布拉格光栅检测信号的输入及光栅反射信号的传输。光谱分析仪在1525nm~1610nm的范围内以0.050nm的分辨率对由环路器输入的布拉格光栅反射信号进行监测。加力装置对微光纤施加测试使用的微拉力。参见图2，ASE光源1、光谱分析仪2、环路器3、微光纤布拉格光栅5、拉力施加装置包括固定器4和重物6；

实施例中以通信行业使用的标准单模光纤SMF-28（不具有光敏特性），采用火焰拉伸法，通过光纤拉制装置得到腰部最小直径为2微米左右的微光纤，作为写入布拉格光栅的原材料。

放入聚焦离子束系统的加工腔前，微光纤被固定在特制的样品台上。光纤腰部与垫在下方的导电硅片直接接触，硅片用导电铜双面胶固定在铁制样品台上。这样做是为了防止加工过程中的电荷积累，避免电荷积累对样品加工造成的负面影响。样品台在加工腔中固定完成后，对腔抽真空。待腔中真空度达到5.5×10^-5mbar时，可以开始加工。加工时高压设为30.0kV，离子束的束流设置为70pA（实际约100pA）。布拉格光栅的参数是周期为580nm，占空比约为1:1，这样设置的目的是使得布拉格波长能落在1550nm附近。槽型结构的深度设为50nm，总周期数为100。制备结构时系统的放大倍数为5000倍。加工完成后微光纤布拉格光栅的显微照片如图1a及图1b所示，可以很清晰地看到光纤上的周期性起伏结构。所制备的微光纤布拉格光栅长度仅为58微米。

微拉力传感器的搭建示意图如图2所示，主要由宽带光源、光谱分析仪、环路器、微光纤布拉格光栅以及施加拉力的装置组成。将光谱分析仪分辨率设为0.050nm，未加拉力的情况下，可以通过微拉力传感器装置测得所制的微光纤光栅反射谱如图3所示，对比度约为20dB。分别施加不同拉力，可以发现拉力越大，红移现象越明显。将不同拉力对应的布拉格波长以拉力为横坐标，波长为纵坐标绘于图4中，可以线性拟合得到拉力灵敏度约为4133nm/N。典型的标准光纤布拉格光栅拉力灵敏度约为1nm/N，因此微光纤布拉格光栅拉力灵敏度有3个数量级的提高。

光谱分析仪的分辨率为0.050nm，若布拉格波长能精确到0.050nm，则拉力的测量能精确到12μN，这是很高的精确度。由于微光纤不能承受很大的拉力，所以这种传感器使用于监测微小的拉力变化，若结合相关器件可以实现对力的高精度反馈控制。本发明得到腰部最小直径为2±0.2微米的微光纤，腰部长约4cm，总损耗约为2dB。

Claims

1.基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置，其特征是包括宽带光源、光谱分析仪、环路器、微光纤布拉格光栅、拉力施加装置；微光纤布拉格光栅检测信号的输入至环路器及光栅反射信号；拉力施加装置通过所施加的拉力或重力施加于微光纤布拉格光栅；宽带光源从环路器施加于微光纤布拉格光栅，从环路器输出端的光栅反射信号输至光谱分析仪；光谱分析仪在1525nm~1610nm的范围内以0.10nm以上的分辨率对由环路器输入的布拉格光栅反射信号进行监测。

2.根据权利要求1所述的基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置，其特征是微光纤布拉格光栅的微光纤由端部、过渡区及腰部三部分共同组成；端部保持标准光纤直径125微米，与标准光纤器件连接，用于光信号的输入和输出；过渡区为圆台形，直径由125微米逐步过渡到腰部直径大小；腰部直径在数微米至数百纳米。

3.根据权利要求1或2所述的基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置，其特征是在于光纤腰部最小直径为2±0.2微米的光纤，腰部长约4cm，总损耗约为2dB。

4.根据权利要求1或2所述的基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置，其特征是光纤布拉格光栅为周期性沟槽的结构，布拉格光栅的周期为550-600nm，占空比约为1:1，使得布拉格波长能落在1550nm附近。

5.根据权利要求4所述的基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置，其特征是光纤布拉格光栅沟槽结构的深度为50nm，总周期数为70-150。

6.根据权利要求1或2所述的基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置，其特征是在于光谱分析仪在1525nm~1610nm的范围内以0.10nm或更高的分辨率对由环路器输入的布拉格光栅反射信号进行监测。

7.根据权利要求1或2所述的基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置，其特征是在于微光纤腰部最小直径为2微米，腰部长4cm，总损耗为2dB。