CN103412366B - 蓝宝石光子晶体光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种蓝宝石光子晶体光纤及其制备方法，蓝宝石光子晶体光纤包括纤芯和包层。纤芯由位于光纤中心部位的实心层三氧化二铝构成，包层为包围纤芯外围呈周期性分布的空洞阵列结构，空洞阵列结构为周期性分布的微型凹槽结构，空洞阵列结构之间有实心层三氧化二铝。本发明的制备方法包括：（1）取蓝宝石光纤样品；（2）将蓝宝石光纤置于三维电动旋转平移台上；（3）设定参数；（4）飞秒激光微爆加工；（5）CCD实时监测；（6）左移蓝宝石光纤至下一位置加工；（7）通光测试；（8）判断在蓝宝石光纤中是否形成基模光波导；（9）完成蓝宝石光纤微爆加工。本发明具有使用寿命长，探测精度高，成本低，制备简单等优点。

Description

蓝宝石光子晶体光纤及其制备方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及高温光电测温与飞秒激光微加工技术领域中一种蓝宝石光子晶体光纤及其制备方法。本发明所提供的蓝宝石光子晶体光纤可用于高温传感，油井下持气率测量。本发明所提出的制备方法采用飞秒激光微爆加工蓝宝石光纤，提出了一种利用飞秒激光制备蓝宝石光子晶体光纤的简单、快速的方法。

背景技术

蓝宝石光纤作为一种高品质的单晶光纤，具有极好的高温稳定性和光学机械特性，因此在光纤高温传感和中红外激光传感方面具有重要的应用价值。高温下，对于蓝宝石光纤而言，光纤探头的稳定性是系统高精确度的关键。

飞秒光电科技（西安）有限公司提出的专利申请“一种高温光电测温系统”（申请号CN201110411523.1，申请公布号CN103162858A）公开了一种高温光电测温系统。该专利申请所公开的这种高温光电测温系统所使用的高温光纤用于传导温度。该专利申请存在的不足是：由于这种高温光纤探测头要长时间处于高温，热气流等极其恶劣的环境下工作，而且工作中还会受到各种环境物质与光纤作用，造成光纤表面或内部损伤，进而增大传输损耗，缩短光纤的寿命，降低探测精度。

诺瓦拉科技有限公司提出的专利申请“生产玻璃光纤预制棒的溶胶-凝胶法”（申请号CN02815185.2，申请公布号CN1538942）中公开了一种采用溶胶-凝胶的方法制备光纤包层的方法。该方法采用了溶胶-凝胶法对光纤镀膜。该专利申请存在的不足是，该方法因为需要严格控制溶胶浓度，镀膜厚度，溶胶液粘度以及烧结气氛，在工程实践中不易控制操作条件，所以制备工艺复杂，成本高且只适用于小尺寸光纤。另外，即便控制好了操作条件，得到所需的膜层，但采用溶胶-凝胶法获得的光纤镀膜在高温工作时，随着工作时间的增加，光纤镀膜层仍然会不稳定，甚至可能脱落。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种蓝宝石光子晶体光纤及其制备方法。

本发明的蓝宝石光子晶体光纤，包括纤芯和包层。纤芯由位于光纤中心部位的实心层三氧化二铝构成。包层为包围纤芯外围呈周期性分布的空洞阵列结构，该结构是延纤芯平行延伸的周期性分布的，其横截面空洞阵列按圆形排列，空洞阵列结构为周期性分布的微型凹槽结构，空洞阵列结构之间有实心层三氧化二铝。

本发明蓝宝石光子晶体光纤的制备方法，包括如下具体步骤：

（1）取蓝宝石光纤样品：

选取一段长度的不含包层，只有纤芯的蓝宝石光纤。

（2）将蓝宝石光纤置于三维电动旋转平移台上：

用夹子将蓝宝石光纤的一端固定在三维电动旋转平移台上。

（3）设定参数：

3a）调节三维电动旋转平移台和飞秒脉冲激光器之间的可变衰减器，使飞秒激光脉冲能量衰减至最佳能量范围；

3b）设定蓝宝石光纤每次水平向左移动距离参数；

3c）设定三维电动旋转平移台的旋转角度参数；

3d）设定三维电动旋转平移台水平向左移动速度参数；

3e）设定衰减后的飞秒激光脉冲经显微物镜垂直聚焦于距蓝宝石光纤轴的位置。

（4）飞秒激光微爆加工：

4a)将飞秒激光脉冲聚焦于步骤3e）中设定的位置；

4b)计算机控制三维电动旋转平移台，使其以步骤3c）中设定的旋转角度在垂直于聚焦光束传播方向的平面内逆时针旋转进行旋转微爆烧蚀。

（5）CCD实时监测：

与计算机相连的电荷耦合器件CCD置于三维电动旋转平移台上方，实时监测聚焦飞秒激光束烧蚀蓝宝石单晶光纤过程，电荷耦合器件CCD将监测的图像信息传递到计算机。

（6）左移蓝宝石光纤至下一位置加工：

6a）在旋转微爆烧蚀完一圈后，计算机控制三维电动旋转平移台，以步骤3d）中设定的速度向左移动蓝宝石光纤至步骤3b）中设定的距离；

6b）判断三维电动旋转平移台水平移动的距离是否超过蓝宝石光纤样品长度，若不超过，执行步骤（4），否则，执行步骤（7）。

（7）通光测试：

7a)显微物镜将波长为632nm的He-Ne激光垂直聚焦于所加工的蓝宝石光纤入射面；

7b)电荷耦合器件CCD在蓝宝石光纤出射面记录近场模式分布。

（8）判断在蓝宝石光纤中是否形成单模光波导：如果记录的蓝宝石光纤光波导近场模式是致密的基模亮斑，执行步骤（9），否则，执行步骤（3）。

（9）完成蓝宝石光纤微爆加工。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明的蓝宝石光子晶体光纤的包层是以蓝宝石为寄主材料，克服了现有技术中的蓝宝石光纤在高温、热气流等极其恶劣的环境下工作时，损耗大，光纤寿命短、探测精度不高的缺点，使得本发明具有损耗低，使用寿命长，探测精度高的优点。

第二，由于本发明蓝宝石光子晶体光纤的制备方法，采用的是飞秒激光微爆加工技术，克服了现有技术的溶胶-凝胶法工艺复杂，只适用于小尺寸光纤，成本高的缺点，使得本发明具有制备简单，适用范围宽，成本低的优点；

第三，由于本发明的蓝宝石光子晶体光纤的制备方法，采用的是飞秒激光微爆加工技术，克服了现有技术的溶胶-凝胶法中光纤镀膜层在高温、热气流等极其恶劣的环境下长时间工作时不稳定，甚至可能脱落的缺点，使得本发明的光纤包层具有稳定，不易脱落的优点。

附图说明

图1为本发明的蓝宝石光子晶体光纤结构示意图；

图2为本发明的蓝宝石光子晶体光纤制备方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

参照附图1，本发明的蓝宝石光子晶体光纤包括纤芯和包层，纤芯由位于光纤中心部位的实心三氧化二铝构成。空洞阵列按圆形排列，紧邻纤芯有至少6个偶数设置的均匀分布的空洞；空洞横截面为圆形，直径范围为380nm～1μm，相邻两个空洞之间的间距范围为1μm～2μm。

本发明的实施例中，选纤芯直径为100μm。包层为包围纤芯外围呈周期性分布的空洞阵列结构，该结构是延纤芯平行延伸的周期性分布的，空洞阵列结构为周期性分布的微型凹槽结构，空洞阵列结构之间有实心层三氧化二铝，空洞阵列按圆形排列，紧邻纤芯的有六个均匀分布的空洞，空洞横截面是圆形，直径1μm，相邻两个空洞之间间距2μm。

参照附图2，对本发明的制备方法做进一步的描述。

步骤1，取蓝宝石光纤样品。

选取一段长度的不含包层，只有纤芯的蓝宝石光纤。本发明的实施例中蓝宝石光纤的长度选取为20cm。

步骤2，将蓝宝石光纤置于三维电动旋转平移台上。

用夹子将蓝宝石光纤的一端固定在三维电动旋转平移台上。计算机通过内置的驱动程序精确控制与之相连的三维电动旋转平移台使其在xy面内或是在xyz三维空间沿设定路径移动。

在本发明的实施例中，三维电动旋转平移台在xy面内沿水平x轴方向移动，在xyz三维空间逆时针旋转。

步骤3，设定参数。

调节三维电动旋转平移台和飞秒脉冲激光器之间的可变衰减器，使飞秒激光脉冲能量衰减至最佳能量范围，最佳能量范围为10～50μJ。飞秒激光微爆加工蓝宝石光纤与飞秒激光器的脉冲能量、脉冲宽度、重复频率有关，最佳的飞秒激光器相关参数有助于微爆加工出更好的微型凹槽结构。在本发明的实施例中，选取能量为20μJ，脉冲宽度为164fs，重复频率为1kHz。

设定蓝宝石光纤每次水平向左移动距离参数，距离参数的取值范围为10～20μm。在本发明的实施例中，选取距离参数为10μm。

设定三维电动旋转平移台的旋转角度参数，旋转角度参数的取值范围为5⁰～10⁰。在本发明的实施例中，选取角度参数为50。

设定三维电动旋转平移台水平向左移动速度参数，速度参数的取值范围为5～50μm/s。在本发明的实施例中，选取速度参数为5μm/s。

设定衰减后的飞秒激光脉冲经显微物镜垂直聚焦于距蓝宝石光纤轴的位置，在距离蓝宝石光纤轴10～200μm处。在本发明的实施例中，选取距蓝宝石光纤轴的位置为100μm。

步骤4，飞秒激光微爆加工。

将飞秒激光脉冲聚焦于步骤3中设定的位置，显微物镜将衰减后的飞秒激光脉冲聚焦于距蓝宝石光纤轴10～200μm处，通过计算机内置的驱动程序精确控制三维电动平台使其在垂直于光束传播方向的xyz面内绕光纤轴旋转微爆烧蚀。在本发明的实施例中，用数值孔径为0.8、放大倍数为50×的显微物镜，将衰减后的飞秒激光脉冲聚焦于距蓝宝石光纤100μm处。

步骤5，CCD实时监测。

与计算机相连的电荷耦合器件CCD置于三维电动旋转平移台上方，实时监测聚焦飞秒激光束烧蚀蓝宝石光纤的制备过程，电荷耦合器件CCD将监测的图像信息传递到计算机。

步骤6，左移蓝宝石光纤至下一位置加工。

在旋转微爆烧蚀完一圈后，计算机控制三维电动旋转平移台，水平向左移动10μm，移动速度为5μm/s。判断三维电动旋转平移台水平移动的距离是否超过蓝宝石光纤样品长度，在本发明的实施例中蓝宝石光纤样品长度为20cm，若不超过，执行步骤4，否则，执行步骤7。

步骤7，通光测试。

对所制备的蓝宝石光子晶体光纤进行通光测试。在本发明的实施例中，显微物镜将632nm的He-Ne激光垂直聚焦于微爆烧蚀后的蓝宝石光子晶体光纤入射面，电荷耦合器件CCD在波导出射面记录近场模式分布。

步骤8，判断在蓝宝石光纤中是否形成单模光波导：如果记录的蓝宝石光纤光波导近场模式是致密的基模亮斑，执行步骤（9），否则，执行步骤（3）；

步骤9，完成蓝宝石光纤微爆加工。

Claims (6)

1.一种蓝宝石光子晶体光纤的制备方法，包括如下步骤：

(1)取蓝宝石光纤样品：

选取一段长度的不含包层、只有纤芯的蓝宝石光纤；

(2)用夹子将蓝宝石光纤的一端固定在三维电动旋转平移台上；

(3)设定参数：

3a)调节三维电动旋转平移台和飞秒脉冲激光器之间的可变衰减器，使飞秒激光脉冲能量衰减至最佳能量范围；

3b)设定蓝宝石光纤每次水平向左移动距离参数；

3c)设定三维电动旋转平移台的旋转角度参数；

3d)设定三维电动旋转平移台水平向左移动速度参数；

3e)设定衰减后的飞秒激光脉冲经显微物镜垂直聚焦于距蓝宝石光纤轴的位置；

(4)飞秒激光微爆加工：

4a)将飞秒激光脉冲聚焦于步骤3e)中设定的位置；

4b)计算机控制三维电动旋转平移台，使其以步骤3c)中设定的旋转角度在垂直于聚焦光束传播方向的平面内逆时针旋转进行旋转微爆烧蚀；

(5)CCD实时监测：

与计算机相连的电荷耦合器件CCD置于三维电动旋转平移台上方，实时监测聚焦飞秒激光束烧蚀蓝宝石单晶光纤过程，电荷耦合器件CCD将监测的图像信息传递到计算机；

(6)左移蓝宝石光纤至下一位置加工：

6a)在旋转微爆烧蚀完一圈后，计算机控制三维电动旋转平移台，以步骤3d)中设定的速度向左移动蓝宝石光纤至步骤3b)中设定的距离；

6b)判断三维电动旋转平移台水平移动的距离是否超过蓝宝石光纤样品长度，若不超过，执行步骤(4)，否则，执行步骤(7)；

(7)通光测试：

7a)显微物镜将波长为632nm的He-Ne激光垂直聚焦于所加工的蓝宝石光纤入射面；

7b)电荷耦合器件CCD在蓝宝石光纤出射面记录近场模式分布；

(8)判断在蓝宝石光纤中是否形成单模光波导，如果记录的蓝宝石光纤光波导近场模式是致密的基模亮斑，执行步骤(9)，否则，执行步骤(3)；

(9)完成蓝宝石光纤微爆加工。

2.根据权利要求1所述的蓝宝石光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，

步骤3a)中所述的最佳能量范围为10～50μJ。

3.根据权利要求1所述的蓝宝石光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，

步骤3b)中所述的距离参数的取值范围为10～20μm。

4.根据权利要求1所述的蓝宝石光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，

步骤3c)中所述的旋转角度参数的取值范围为5°～10°。

5.根据权利要求1所述的蓝宝石光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，

步骤3d)中所述的速度参数的取值范围为5～50μm/s。

6.根据权利要求1所述的蓝宝石光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，

步骤3e)中所述位置设定在距离蓝宝石光纤轴10～200μm处。