CN103558663A

CN103558663A - S形光子晶体光纤锥传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN103558663A
Application number: CN201310555969.0A
Authority: CN
Inventors: 石飞飞; 王金忠; 赵连城
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-11-09
Filing date: 2013-11-09
Publication date: 2014-02-05

Abstract

S形光子晶体光纤锥传感器及其制备方法，涉及一种光子晶体光纤锥传感器及其制备方法。所述传感器由光纤经拉锥工艺制成，塌孔区域变形为S形，锥长L=250～350μm，腰径W=80～120μm，偏移距离△ d=30～50μm。本发明中，使用EricssonFSU975光纤熔接机来进行电弧加热拉锥和光纤之间的熔接。本发明制造的S形扭曲提高了光子晶体光纤锥的环境折射率传感性能。在外形方面，本发明的S形光子晶体光纤锥传感器的锥长L更短和腰径W更粗。S形光子晶体光纤锥的锥腰直径与光纤直径很接近，锥长也较短，短粗的外形将大大延长传感头的使用寿命，提高它的耐用程度，而且更适用于微区的环境折射率探测。

Description

S形光子晶体光纤锥传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光子晶体光纤锥传感器及其制备方法。

背景技术

光子晶体光纤是近些年来出现的新型光波导传输材料，作为传统光纤的替代品，它有着与传统光纤不同的传光机制，同时也表现出优于传统光纤的性能，通过合理的设计可以实现如无尽单模传输、可调节的色散、显著的非线性效应、极低的损耗等特性。利用其制成的光纤传感器件也以结构简单、制作便捷、性能优异等特点而吸引了很多的研究关注。其应用范围广泛，大到桥梁建筑的健康检测，小到医学中的血液检验；其制作方法多样，从简单熔接到复杂的激光微纳加工；其传感机制丰富，囊括了几乎所有已知的干涉类型。

光纤拉锥是最简便的光纤二次加工的方法之一，整个拉制过程用时短、成功率高、制备工艺简单，因此，很早就被用在传统光纤上制作光纤器件。这一工艺被使用在光子晶体光纤上以后，出现了许多新颖的光学现象，并且在传感方面也展示出了非凡的应用潜力，如环境折射率、温度和轴向拉伸应力的传感。

光子晶体光纤拉锥制作传感器从概念到干涉原理再到制备方法，几乎可以完全借鉴传统光纤锥传感器。传统光纤拉锥，按照锥形的不同可分绝热型光纤锥和非绝热型光纤锥，其区别在于锥形部分的形貌。绝热型光纤锥中腰径的减小是一个缓变的过程，这会尽可能的减少光场的损耗，因此称为绝热型光纤锥；非绝热型光纤锥的腰径变化比较快，也有双曲光纤锥、陡变光纤锥的叫法，这种类型的光纤锥能量损失很快，因此称为非绝热型光纤锥。对于光子晶体光纤锥还有一点需要区分，那就是锥形区是否塌孔。不塌孔的光子晶体光纤拉锥工艺要比塌孔光子晶体光纤锥复杂得多，如何在熔融拉锥的高温环境中保护空气孔不塌缩，需要更多的附加工艺，比如充气加压、低温快拉等。加热光纤的方法也有很多，最常用的就是氢氧焰移动加热，这种方法加热的光纤体积较大，适合拉制绝热型光子晶体光纤锥；还有利用电弧放电加热光纤的方法，但是由于加热区域较小只适合拉制非绝热型光子晶体光纤锥；也有利用CO₂激光加热制锥的方法和HF酸微滴腐蚀包层的方法。

利用电弧放电加热光纤的方法制造工艺简单、生产设备普遍、所制备出来的光纤锥传感器传感性能稳定。电弧是两电极之间电场过强击穿空气而形成的高温等离子体区域，其温度可以通过调节输出电流来控制。但是光纤传感器大多结构比较长（如光纤光栅传感器等），而且制备工艺复杂（如刻制光纤光栅等）。

发明内容

针对现有光纤传感器存在的问题，本发明提供了一种制备简单、结构巧妙、传感元件微小，适于微区探测的S形光子晶体光纤锥传感器及其制备方法。

本发明的S形光子晶体光纤锥传感器由光纤经拉锥工艺制成，塌孔区域变形为S形，锥长L=250～350μm，腰径W=80～120μm，偏移距离△ d=30～50μm。

本发明的S形光子晶体光纤锥传感器是使用Ericsson FSU975光纤熔接机来进行电弧加热拉锥和光纤之间的熔接的，其整个过程分三步：

一、预热：作为第一阶段的预热过程很短，一般只需1秒钟，但是要求电流较大（如13mA，不能超过15mA），足以软化PCF的材质，令空气孔瞬间塌缩，破坏PCF的端面结构。为防止软化的PCF在重力作用下变形，可以令电机同步拉伸PCF两端。在第一阶段中，空气孔几乎完全塌缩，但仍可能存在些许痕迹。

二、拉锥：第二阶段即为最关键的拉锥过程，PCF的空气孔完全塌缩，随着锥长的伸长再无空气孔存在痕迹，锥体表面也很光滑。第二阶段为调整PCF锥的腰径和锥长的主要阶段，通过设置不同的拉锥时间（t₂）和放电电流（I₂），可以实现对PCF锥的形貌的控制。时间的长短与电流大小有关系，电流过大，时间就较短。

三、退火：第三阶段为退火阶段，一般设置较小的电流（7mA）和较短的时间（2s），此阶段的主要作用是将拉锥过程中可能出现的未完全塌缩的空气孔彻底熔塌，以避免缺陷的出现。同样，为了避免重力导致的变形，此过程也进行了同步拉伸。

本发明中，使用Ericsson FSU975光纤熔接机来进行电弧加热拉锥和光纤之间的熔接。熔接和拉锥都在同一台机器上完成，大大降低了实验的复杂程度和成本。光纤熔接机作为一种成熟的光纤加工设备，操作的精度很高，而且电极的工作状态稳定，大大提高了实验的准确性和可重复性。另外，熔接机自带的两个角度的摄像头，可以实时监控拉锥过程。

由光纤制作而成的光学器件功能丰富，而且呈现出各异的外观。通常，光纤的扭曲不会影响到内部光场的传输性质，但是拉锥以后的光纤会因为外形的变化而改变能量在不同传输模式之间的分布，并引起模式之间的干涉。对于光子晶体光纤而言，拉锥以后的外形尤其重要。比较其他的光纤环境折射率传感器，本发明刻意制造的S形扭曲提高了光子晶体光纤锥的环境折射率传感性能，假设光谱仪的最小分辨单位为10pm，那么，此样品在1.33-1.38 区间内分辨能力为3.3×10⁻⁴ RIU，在1.38-1.44区间可达8.0×10⁻⁵ RIU。在外形方面，本发明的S形光子晶体光纤锥传感器的锥长L更短和腰径W更粗。S形光子晶体光纤锥的锥腰直径与光纤直径很接近，锥长也较短，短粗的外形将大大延长传感头的使用寿命，提高它的耐用程度，而且更适用于微区的环境折射率探测。

附图说明

图1为S形光子晶体光纤锥的拉锥区域浸入不同折射率环境下的光谱曲线；

图2为不同折射率环境下光谱曲线的红移量拟合曲线；

图3为拉制S形光子晶体光纤锥的实验装置；

图4为S形光子晶体光纤锥的俯视光学显微形貌；

图5为S形光子晶体光纤锥的侧视光学显微形貌；

图6为S形光子晶体光纤锥的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

图3展示了拉制S形光子晶体光纤锥的实验装置。选择拉锥程序，并设置三个拉锥过程中的电流和时间。FSU975型号的光纤熔接机具有手动调整光纤相对位置的功能，这对拉制S形光子晶体光纤短锥都起到了关键性作用。拉制S形光子晶体光纤锥之前要预先调节一侧光纤的水平位置，实现的光纤的偏置以后再拉锥，偏移距离△ d的控制便是在这一步实现的，即：两个光纤夹具夹紧光纤的两端，上下移动一侧的夹具，形成一定大小的偏移距离△ d。开启预先设置好的拉锥程序，夹具在电机的拖拽下，向两侧同步移动，形成S形光子晶体光纤锥。拉锥过程开始，要想获得不同的锥长L和腰径W，需要调整三个拉锥过程的电流参数和时间参数。本实施方式中的拉锥参数如下：I₁=13mA，t₁=1s；I₂=10.5mA，t₂=3s；I₃=7mA，t₃=2s。图4-5分别显示出了制备成功的S形光子晶体光纤锥的俯视和侧视的光学显微形貌，图6则标注出了描述S形光子晶体光纤锥的三个几何参数：偏移距离△ d、锥长L和腰径W。在实施方式中，锥长L=280μm，腰径W=110μm，偏移距离△ d=40μm。

本实施方式中，使用的光子晶体光纤是丹麦NKT公司生产的ESM12-02型号光纤，利用电弧放电的方式制备出来的S形光子晶体光纤锥，能够实现对环境折射率(SRI)进行探测。

将制备的样品的拉锥区域浸入不同折射率(SRI)的环境溶液中，记录下透射光谱，如图1所示，随着环境折射率的增大，样品的透射光谱发生了明显的红移。选择透射光谱中1555nm附近的波谷，追踪记录下SRI增大带来的波谷位置的红移量，图2对这一红移现象进行了跟踪记录，并绘制成一条曲线，经过拟合发现红移量Shift(nm)=2.93115+2.10829 × 10⁻¹⁵[exp(SRI∕0.03999)]，即呈指数函数变化规律。假设光谱仪的最小分辨单位为10pm，那么，此样品在1.33–1.38 区间内分辨能力为3.3×10⁻⁴ RIU，在1.38–1.44区间可达8.0×10⁻⁵ RIU。

其中的干涉原理可以归纳如下：在光场未到达拉锥区域之前，绝大部分能量集中在芯区，作为基模在传输。可是空气孔的坍塌破坏了单模传输的状态，大量的高阶模式被激发，出现在了光子晶体光纤塌孔区域。这些模式之间彼此满足干涉条件，诸多干涉现象此消彼长，甚至由于强度太低，淹没在光谱中没有显现出来的。但是，S形弯曲导致了严重的光泄露，也激发了更多更高阶次的模式，从而影响了传输模式中的能量分配。本实施方式中制备的S形光子晶体光纤锥长L很短，只有几百个μm，尽管弯曲将基模能量部分转移到了高阶模式中，但是仍能存留一部分能量，因此，基模与某个占优的高阶模式所发生的干涉得以显现在光谱曲线中。由于大部分光经过了锥区表面的反射，干涉光谱便携带了周围环境的折射率信息，当环境折射率发生变化时，干涉光谱会出现移动，追踪光谱的移动便可以实现环境折射率的探测。

Claims

1.S形光子晶体光纤锥传感器，其特征在于所述传感器由光纤经拉锥工艺制成，塌孔区域变形为S形，锥长L=250～350μm，腰径W=80～120μm，偏移距离△ d=30～50μm。

2.根据权利要求1所述的S形光子晶体光纤锥传感器，其特征在于所述锥长L=280μm，腰径W=110μm，偏移距离△ d=40μm。

3.根据权利要求1所述的S形光子晶体光纤锥传感器，其特征在于所述光纤为ESM12-02型号光纤。

4.一种权利要求1所述S形光子晶体光纤锥传感器的制备方法，其特征在于所述S形光子晶体光纤锥传感器使用光纤熔接机进行电弧加热拉锥和光纤之间的熔接，其过程如下：

（1）选择拉锥程序，并设置预热、拉锥、退火三个拉锥过程中的电流和时间；

（2）光纤夹具夹紧光纤的两端，上下移动一侧的夹具，形成一定大小的偏移距离△ d；

（3）开启预先设置好的拉锥程序，夹具在电机的拖拽下，向两侧同步移动，形成S形光子晶体光纤锥。

5.根据权利要求4所述的S形光子晶体光纤锥传感器的制备方法，其特征在于所述预热过程中I₁=13mA，t₁=1s；拉锥过程中I₂=10.5mA，t₂=3s；退火过程中I₃=7mA，t₃=2s；S形光子晶体光纤锥传感器的锥长L=280μm，腰径W=110μm，偏移距离△ d=40μm。

6.根据权利要求4所述的S形光子晶体光纤锥传感器的制备方法，其特征在于所述光纤熔接机为Ericsson FSU975光纤熔接机。

7.根据权利要求4所述的S形光子晶体光纤锥传感器的制备方法，其特征在于所述光纤为ESM12-02型号光纤。