CN104153012B - 一种锥形微纳光纤制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微纳光纤的制造调控技术领域，本发明的装置包括光纤夹具、料管、定位板、气动装置、环形电极、电极板和高压电源，通过设置环形电极，环形电极和电极板均与高压电源电性连接，管口接地，管口与电极板之间形成强电场，该强电场用于拉伸悬挂在棒形光纤末端的光纤原料液滴，光纤原料在电场力的作用下在棒形光纤末端形成腰部直径为微纳级别、带有腰椎的微纳光纤。本发明的方法引入多层电极控制技术，可以消除拉锥过程中锥体的不稳定运动，通过调节施加在环形电极上的电压值大小来控制拉伸速度，可以对锥形光纤各个截面尺寸进行精确的控制，以获取所需要锥形光纤的结构尺寸。

Description

一种锥形微纳光纤制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及一种微纳光纤的制造调控技术领域，具体涉及一种锥形微纳光纤制备装置及制备方法。

背景技术

目前光子器件的研究已经朝着器件集成化、微型化方向发展。微纳光纤是制备光子器件的基本元件，如何有效减小微纳光纤尺度是有源光子器件集成化、微型化的有效途径之一。锥形微纳光纤因为其直径随着光纤呈线性变化，其光纤锥区具有耦合、偏振、传输和调制特性，所以在微纳光学、近场光学、光纤传感与检测等领域均有应用。

制备锥形微纳光纤通常采用熔融拉锥法，首先需要对光纤局部加热，当光纤加热段处于熔融状态时在光纤两端施加拉力，光纤将沿轴向变细，最后形成断面，从而得到腰部直径为微纳级别、带有腰椎的微纳光纤。熔融拉锥法具有制备过程简单、锥形表面光滑以及制作成本低等优点，但是，光纤加热段受热不均导致锥形微纳光纤出现不对称结构，利用手工拉制锥形微纳光纤需要操作人员具备熟练的操作技能才能制备出理想的锥形光纤，且加热温度、拉制速度、环境温度和环境气流等条件也影响拉锥的效果，轻微的环境气流波动就会造成光纤锥区断裂，制造过程不可控因素较多导致光纤品质波动大，难以实现规模化生产。（Tong L M，Gattass R R，Ashcom J B，et al．Subwavelength-diameter silica wiresfor low-loss optical wave guiding．Nature，2003，426(6968)：816-819）（张羽，微纳光纤器件及其在全光信号处理中的应用[D]． 武汉：华中科技大学，2010年）。聚合物蘸取法也能锥形微纳光纤，将单模光纤末端浸入熔融状态的光纤聚合物中，然后快速垂直提起，此种方法制备的微纳光纤品质理想，但是其单模光纤与微纳光纤之间的腰椎品质很不理想。

发明内容

解决上述技术问题，本发明提供了一种锥形微纳光纤制备装置，其结构简单，装配方便，能够利用静电场力的拉伸作用对附着在棒形光纤末端的光纤原料液滴进行静电拉伸，从而拉制出锥形微纳光纤，实现快速制备出形状高精度的锥形微纳光纤。

本发明还提出一种新型的锥形微纳光纤制备方法，利用静电场力来拉伸棒形光纤制备出锥形微纳光纤，通过调节静电场力的大小可以对锥形微纳光纤的锥度进行精确控制。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种锥形微纳光纤制备装置，包括光纤夹具、料管、定位板、气动装置、环形电极、电极板和高压电源，光纤夹具设置于料管上方，棒形光纤设置于料管内，所述棒形光纤顶端伸出料管顶部，所述棒形光纤顶端通过光纤夹具夹持固定，定位板嵌设于料管内壁，所述定位板中心开设有供棒形光纤通过的通孔，所述棒形光纤穿过该通孔并与定位板固定连接，所述料管底部连接有管口，所述棒形光纤底端伸出管口，所述料管位于定位板的上方开设有气孔，所述气动装置通过气孔与料管相连通，所述定位板上分布有多个流体通孔，所述环形电极设置在管口下方，所述电极板设置在环形电极下方，所述环形电极和电极板均与高压电源电性连接，所述管口接地，所述管口与电极板之间形成强电场，该强电场用于拉伸悬挂在棒形光纤末端的光纤原料液滴，光纤原料在电场力的作用下在棒形光纤末端形成腰部直径为微纳级别、带有腰椎的微纳光纤，其腰椎部分就是锥形微纳光纤。

进一步的，所述棒形光纤和料管同轴配合，所述定位板与料管内壁过盈配合连接，所述棒形光纤与定位板通孔过盈配合连接。

进一步的，所述环形电极包括多个环形电极，多个环形电极从上至下依次排列在管口下方，形成多层环形电极。

更进一步的，所述环形电极的个数为1-5个，每一环形电极均与高压电源电性连接，

进一步的，所述流体通孔是采用阵列形式均匀分布在定位板上。

进一步的，还包括料管端盖，所述料管端盖横截面为π形，其下部与料管内壁过盈配合固定连接，其上部与料管上端沿紧密配合。

进一步的，棒形光纤末端伸出料管管口的长度范围为5mm~10mm。

进一步的，棒形光纤末端与管口之间的径向间隙为50~500μm。

进一步的，料管管口内径优选210~1500μm。

进一步的，相邻环形电极之间的竖直距离为1cm~3cm，最底层环形电极与电极板之间的竖直距离为1cm~3cm。

进一步的，所述管口与电极板之间的竖直距离为1cm~5cm。

一种新型的锥形微纳光纤制备方法，适用于上述装置，包括以下步骤：

步骤1：将光纤原料灌入料管内，盖好料管端盖，保证料管内部的气密性；

步骤2：开启气动装置，并控制气动装置的气压值范围为0.1~1MPa，在背气压的推动作用下，光纤原料向料管管口供应，料管管口处的棒形光纤末端出现悬挂液滴；

步骤3：开启高压电源，控制高压电源对电极板的电压输出值为1kV~60 kV，控制高压电源从下至上对各层环形电极的输出电压值为1 kV ~50 kV，此时棒形光纤末端的液滴在静电场作用下被拉伸成腰部直径为微纳级别、带有腰椎的微纳光纤，其腰椎部分就是锥形微纳光纤。并控制高压电源从下至上对各层环形电极的输出电压逐渐递减，且最底层环形电极的电势低于电极板的电势，从而得到从电极板到各层环形电极再到管口的电势逐渐下降的顺势电场。引入多层电极控制技术，可以消除拉锥过程中锥体的不稳定运动，通过调节施加在环形电极上的电压值大小来控制拉伸速度，可以对锥形光纤各个截面尺寸进行精确的控制，以获取所需要锥形光纤的结构尺寸。

步骤4：将制备好的微纳光纤从装置中取出，使用光纤切割刀按照需要选择性地将部分的棒状光纤、微纳光纤切除，余下即是锥形微纳光纤。

本发明通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

本发明的装置包括光纤夹具、料管、定位板、气动装置、环形电极、电极板和高压电源，通过设置环形电极，所述环形电极和电极板均与高压电源电性连接，所述管口接地，因此，管口与电极板之间形成强电场，该强电场用于拉伸悬挂在棒形光纤末端的光纤原料液滴，光纤原料在电场力的作用下在棒形光纤末端形成腰部直径为微纳级别、带有腰椎的微纳光纤，其腰椎部分就是锥形微纳光纤。本发明的装置结构简单，装配方便，生产效率高。

设有多层环形电极，可以有效减少强电场中锥形光纤的不稳定行为；

本发明的方法通过控制气动装置的气压值范围、控制高压电源对电极板各层环形电极的输出电压值，使得并控制高压电源从下至上对各层环形电极的输出电压逐渐递减，且最底层环形电极的电势低于电极板的电势，从而得到从电极板到各层环形电极再到管口的电势逐渐下降的顺势电场。引入多层电极控制技术，可以消除拉锥过程中锥体的不稳定运动，通过调节施加在环形电极上的电压值大小来控制拉伸速度，可以对锥形光纤各个截面尺寸进行精确的控制，以获取所需要锥形光纤的结构尺寸。工序简单，可以在短时间内制备出锥形微纳光纤，

通过控制管口内径、光纤原料浓度、棒形光纤末端伸出管口的长度、气动装置的气压值、多层环形电机之间的距离以及高压电源的电压输出值，实现对锥形光纤的粗细端直径、锥度进行精确控制。

附图说明

图1是本发明的实施例的结构示意图；

图2是本发明的实施例的剖视图；

图3是本发明的实施例制备的微纳光纤示意图，其中，A为棒形光纤，B为锥形微纳光纤，C为微纳光纤。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

作为一个具体的实施例，如图1和图2所示，本发明的一种锥形微纳光纤制备装置，包括光纤夹具5、料管4、定位板9、气动装置7、环形电极2、电极板和高压电源，光纤夹具5设置于料管4上方，棒形光纤8设置于料管4内，所述棒形光纤8顶端伸出料管4顶部，所述棒形光纤8顶端通过光纤夹具5夹持固定，定位板9嵌设于料管4内壁，所述定位板9中心开设有供棒形光纤8通过的通孔，所述棒形光纤8穿过该通孔并与定位板9固定连接，所述料管4底部连接有管口，所述棒形光纤8底端伸出管口，所述料管4位于定位板9的上方开设有气孔，所述气动装置7通过气孔与料管4相连通，所述定位板9上分布有多个流体通孔，所述环形电极2设置在管口下方，所述电极板设置在环形电极2下方，所述环形电极2和电极板均与高压电源11电性连接，其可以为高压电源11的正极，也可以为高压电源11的负极，所述管口接地，所述料管其余部分优选接地，所述料管和管口可以采用导电材料制作。因此，管口与电极板之间形成强电场，该强电场用于拉伸悬挂在棒形光纤8末端的光纤原料液滴，光纤原料在电场力的作用下在棒形光纤8末端形成腰部直径为微纳级别、带有腰椎的微纳光纤，其腰椎部分就是锥形微纳光纤。所述棒形光纤8和料管4同轴配合，所述定位板9与料管4内壁过盈配合连接，所述棒形光纤8与定位板9通孔过盈配合连接。所述环形电极2包括多个环形电极2，多个环形电极2从上至下依次排列在管口下方，形成多层环形电极2。所述环形电极2的个数为3个，当然也可以为1-5个中的任意一个，每一环形电极2均与高压电源11电性连接，

本实施例中，所述气动装置7由选气泵、气动比例阀、数控卡以及计算机构成，启动比例阀与选气阀连接，数控卡和计算机用于控制选气泵和气动比例阀的气体选择以及启动比例，所述气动装置7产生合适的压缩空气通过气管进入料管4，提供背压，利用压力差推动光纤原料向料管4底部的管口流动。

本实施例中，所述光纤夹具5采用传统的夹子，顶部高悬或者固定于某一板面，光纤夹具5夹持住棒形光纤8，使棒形光纤8处于料管4同轴轴线位置，避免棒形光纤8偏移。

本实施例中，所述流体通孔是采用阵列形式均匀分布在定位板9上。

本实施例中，还包括料管4端盖，所述料管4端盖横截面为π形，其下部与料管4内壁过盈配合固定连接，其上部与料管4上端沿紧密配合。

本实施例中，棒形光纤8末端伸出料管4管口的长度为6mm，而其长度范围还可以为5mm~10mm。

本实施例中，形光纤8末端与管口之间的径向间隙为100um，其径向间隙还可以为50~500μm。

本实施例中，料管4管口内径优选400μm,当然所述料管4的管口3内径还可以为210~1500μm，所述料管的内径可以略大于所述管口3内径。

本实施例中，相邻环形电极2之间的竖直距离为2cm，所述相邻环形电极2之间的竖直距离范围还可以取1cm~3cm中的任意值，最底层环形电极2与电极板之间的竖直距离为2cm,所述最底层环形电极2与电极板之间的竖直距离范围还可以取1cm~3cm中的任意值。

本实施例中，所述管口3与电极板1之间的竖直距离为3cm，所述所述管口3与电极板1之间的竖直距离范围还可以取1cm~5cm。

本实施例的一种新型的锥形微纳光纤制备方法，适用于上述装置，包括以下步骤：

步骤1：将光纤原料灌入料管4内，盖好料管4端盖，保证料管4内部的气密性；

步骤2：开启气动装置7，并控制气动装置7的气压值范围为0.1~1MPa，在背气压的推动作用下，光纤原料向料管4管口供应，料管4管口处的棒形光纤8末端出现悬挂液滴；

步骤3：开启高压电源11，控制高压电源11对电极板的电压输出值为20kV，~60 kV，最底层环形电极电压输出值为10kV，中间层环形电极电压输出值为7kV最上层环形电极5kV，此时棒形光纤8末端的液滴在静电场作用下被拉伸成腰部直径为微纳级别、带有腰椎的微纳光纤，其腰椎部分就是锥形微纳光纤。并控制高压电源11从下至上对各层环形电极2的输出电压逐渐递减（从上之下依次递减还是从下至上依次递减），且最底层环形电极2的电势低于电极板的电势，从而得到从电极板到各层环形电极2再到管口的电势逐渐下降的顺势电场。引入多层电极控制技术，可以消除拉锥过程中锥体的不稳定运动，通过调节施加在环形电极2上的电压值大小来控制拉伸速度，可以对锥形光纤各个截面尺寸进行精确的控制，以获取所需要锥形光纤的结构尺寸。

步骤4：将制备好的微纳光纤从装置中取出，如图3所示使用光纤切割刀按照需要选择性地将部分的棒形光纤A、微纳光纤C切除，余下即是锥形微纳光纤B。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种锥形微纳光纤制备方法，使用一种锥形微纳光纤制备装置，该装置包括光纤夹具、料管、定位板、气动装置、环形电极、电极板和高压电源，光纤夹具设置于料管上方，棒形光纤设置于料管内，所述棒形光纤顶端伸出料管顶部，所述棒形光纤顶端通过光纤夹具夹持固定，定位板嵌设于料管内壁，所述定位板中心开设有供棒形光纤通过的通孔，所述棒形光纤穿过该通孔并与定位板固定连接，所述料管底部连接有管口，所述棒形光纤底端伸出管口，所述料管位于定位板的上方开设有气孔，所述气动装置通过气孔与料管相连通，所述定位板上分布有多个流体通孔，所述环形电极设置在管口下方，所述电极板设置在环形电极下方，所述环形电极和电极板均与高压电源电性连接，所述管口接地，所述管口与电极板之间形成强电场，该强电场用于拉伸悬挂在棒形光纤末端的光纤原料液滴，光纤原料在电场力的作用下在棒形光纤末端形成腰部直径为微纳级别、带有腰椎的微纳光纤，其腰椎部分就是锥形微纳光纤，包括以下步骤：

步骤1：将光纤原料灌入料管内，盖好料管端盖，保证料管内部的气密性；

步骤2：开启气动装置，并控制气动装置的气压值范围为0.1～1MPa，在背气压的推动作用下，光纤原料向料管管口供应，料管管口处的棒形光纤末端出现悬挂液滴；

步骤3：开启高压电源，控制高压电源对电极板的电压输出值为1kV～60kV，控制高压电源从下至上对各层环形电极的输出电压值为1kV～50kV，此时棒形光纤末端的液滴在静电场作用下被拉伸成腰部直径为微纳级别、带有腰椎的微纳光纤，其腰椎部分就是锥形微纳光纤，并控制高压电源从下至上对各层环形电极的输出电压逐渐递减,且最底层环形电极的电势低于电极 板的电势，从而得到从电极板到各层环形电极再到管口的电势逐渐下降的顺势电场，引入多层电极控制技术，可以消除拉锥过程中锥体的不稳定运动，通过调节施加在环形电极上的电压值大小来控制拉伸速度，可以对锥形光纤各个截面尺寸进行精确的控制，以获取所需要锥形光纤的结构尺寸；

步骤4：将制备好的微纳光纤从装置中取出，使用光纤切割刀按照需要选择性地将部分的棒状光纤、微纳光纤切除，余下即是锥形微纳光纤。