CN105353459B - 微纳光纤表面制作光栅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微纳光纤表面制作光栅的方法，其中，该方法包括以下步骤：提供一微纳光纤；在该微纳光纤表面涂覆一层紫外光敏功能化膜；以及使用紫外光源对该紫外光敏功能化膜进行逐点曝光。本发明提出的制作方法利用涂覆在微纳光纤表面的功能化膜，借助于薄膜材料的光敏性，利用低功率的紫外光进行曝光制备光栅。该方法不会引起石英微纳光纤的损伤，保证了微纳光纤光栅的力学性能。而且，该方法与当前通用的光纤光栅制备方法和设备完全兼容。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术和光纤传感领域，特别涉及微纳光纤光栅的制作技术及装置。
背景技术
长周期光纤光栅是一种透射型光栅器件，在光纤通讯和光纤传感领域具有广阔的应用前景。例如，利用长周期光纤光栅可以实现透射型带阻滤波器，制作温度、应力、弯曲传感器等。长周期光纤光栅的基本原理是利用光纤中折射率或模场的周期性调制,实现光纤中各阶模式间的耦合,从而在透射光谱中形成谐振峰(也叫损耗峰)。基于这一原理，研究者们利用紫外激光、离子注入、CO2激光、电弧放电等方法在光纤中引入周期性调制，已成功地在各种光纤中制作了长周期光纤光栅。
相比于其他光纤，微纳光纤的直径在微米和亚微米尺度，且具有特征尺寸较小、倏逝场很强，模式间的有效折射率差很大等特点。微纳光纤的长周期光栅同时结合了微纳光纤的倏逝场特性和长周期光栅的光谱特性，可以实现高灵敏度的传感。同时，微纳光纤长周期光栅的周期比普通光纤小一个量级，而直径比普通光纤小两个量级，故有利于实现紧凑的器件结构。
目前，常见的微纳光纤表面制作光栅的方法主要有：CO2激光微拉锥法、飞秒激光表面刻蚀法、周期性表面涂覆法，以及氧化硅薄膜的CO2激光曝光等方法。以下分别进行简要介绍。
(1) CO2激光微拉锥法：H. Xuan提出了一种利用CO2激光器对微纳光纤进行加热，继而进行周期性微拉锥的方法来制作微纳光纤长周期光栅。微纳光纤直径约为6.3微米，所得长周期光栅具有负的温度响应，大约-190 pm/˚C，和较高的折射率灵敏度，大约1900 nm/RI，可用于灵敏的折射率传感。这一制作方法的优点在于CO2激光器成本较低。缺点为CO2激光器的焦斑较大，仅能制作周期在百微米量级的长周期光栅。同时，在微拉锥过程中难以对拉锥形状进行精确控制，非绝热过渡的微拉锥区域将导致较大的传输损耗。
(2) 飞秒激光表面刻蚀法：谐振波长一定时，微纳光纤的直径越小，对应的光栅周期也越小。因此，为了在波长量级直径的微纳光纤中制作长周期光栅，H. Xuan 等研究者又提出了一种利用飞秒激光在微纳光纤表面进行周期性刻蚀的制作方法。飞秒激光的波长为800纳米，聚焦光斑直径可以达到2.5 微米，可以在直径为2.4微米的微纳光纤中制作周期15微米的长周期光栅。此法的优点在于利用飞秒激光较小的聚焦光斑，可以实现更高精度的微结构加工。缺点在于飞秒激光直接损伤了石英微纳光纤，极易导致器件断裂，降低了器件的力学性能。
(3) 周期性表面涂覆法：X. Zhang等研究者提出了一种利用PDMS对微纳光纤进行周期性表面涂覆的方法制作微纳光纤长周期光栅。所得微纳光纤直径7.6微米，光栅周期143微米。此方法中引入了聚合物材料，其较高的生物亲和性将会使得微纳光纤长周期光栅具有更广的应用前景。然而，制作过程中PDMS液滴尺寸较大（约为20微米~30微米），同时，PDMS液滴固化过程耗时较长（<24小时）且不易控制，难以保证PDMS液滴表面形貌的一致性，可能会降低微纳光纤长周期光栅制作的一致性。
(4) 氧化硅薄膜CO2激光曝光法：G. Kakarantzas等研究者则将表面涂覆和周期性曝光相结合，提出了一种首先在微纳光纤表面涂覆二氧化硅薄膜，随后利用CO2激光器进行周期性固化的方法制作微纳光纤长周期光栅。由于薄膜均匀性较好，固化过程中没有引起石英微纳光纤的损伤，此法制作的微纳光纤不易断裂，并具有较低的传输损耗。但这一方法的缺点则是受CO2激光的光束质量和较长的波长（10.6微米）的限制，无法进行较小周期微纳光纤长周期光栅的制作。
有鉴于此，确有必要提供一种高效、易行、可靠的微纳光纤表面制作光栅的方法，并且完全与现有的光纤光栅制作方法与设备兼容。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述各种技术的缺点与不足，提供一种微纳光纤表面制作光栅的方法。该方法是在由普通光纤拉制而成的微纳光纤中制备光栅。首先利用一种改良的浸没涂覆法进行微纳光纤的表面涂覆，通过紫外光敏薄膜实现微纳光纤的功能化。随后，利用紫外激光对薄膜进行曝光制作光栅。
一种微纳光纤表面制作光栅的方法，其中，该方法包括以下步骤：提供一微纳光纤；在该微纳光纤表面涂覆一层紫外光敏功能化膜；以及使用紫外光源对该紫外光敏功能化膜进行逐点曝光。
进一步，所述在该微纳光纤表面涂覆一层紫外光敏功能化膜的方法包括以下步骤：利用一液滴悬垂装置将溶有紫外光敏材料的液滴悬垂于空中；将该微纳光纤浸没在该溶有紫外光敏材料的液滴中；使该溶有紫外光敏材料的液滴与该微纳光纤在该微纳光纤的轴向相对移动，从而在该微纳光纤表面形成一预制层；以及对该微纳光纤表面的预制层进行加热。
进一步，所述对该微纳光纤表面的预制层进行加热的温度低于200˚C。
进一步，所述液滴悬垂装置固定于一电控平移台上，所述电控平移台由计算机程序控制进行连续扫描式移动，移动速度为0.005毫米/秒-5毫米/秒。
进一步，所述液滴包括溶剂和溶于该溶剂中的紫外光敏性溶质；所述溶剂为正己烷、异己烷、环己烷、正戊烷、异戊烷、环戊烷、庚烷、辛烷、异辛烷、苯、甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、苯胺、氯仿和二氯亚砜中的一种或多种；所述光敏性溶质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚亚酰胺、紫外光敏树脂SU-8和AZ4620中的一种或多种。
进一步，所述使用紫外光源对该紫外光敏功能化膜进行逐点曝光的方法包括以下步骤：提供一计算机控制的电控平移台，且该电控平移台上设置有紫外光反射镜、紫外透镜或透镜组以及快门；所述紫外光源发射紫外光，且使该紫外光通过该紫外光反射镜反射后，再经过紫外透镜或透镜组聚焦于该紫外光敏功能化膜表面；通过计算机控制该电控平移台的移动来调节该紫外光在该紫外光敏功能化膜表面的曝光位置；以及打开该快门曝光并利用该快门控制曝光的时间。
进一步，所述通过计算机控制该电控平移台移动的方法为：使该电控平移台在该计算机控制下作步进式移动，每次移动的距离对应于光栅的栅线间距是周期性或非周期性的，移动的距离为100纳米-1毫米。
进一步，所述电控平移台的扫描速度为0.005 毫米/秒-5毫米/秒。
进一步，所述紫外光在该紫外光敏功能化膜表面形成的光斑直径为100纳米-100微米。
进一步，所述涂覆紫外光敏功能化膜以及逐点曝光的过程中，该微纳光纤一端接入宽带检测光源，另一端接入光谱仪，以对该微纳光纤的透射光谱进行实施监控
本发明提出的制作方法优点为，利用涂覆在微纳光纤表面的功能化膜，借助于薄膜材料的光敏性，利用低功率的紫外光进行曝光制备光栅。该方法不会引起石英微纳光纤的损伤，保证了微纳光纤光栅的力学性能。而且，该方法与当前通用的光纤光栅制备方法和设备完全兼容。
附图说明
图1是本发明的实施例的微纳光纤表面制作光栅的方法的流程图。
图 2是本发明的实施例的微纳光纤拉锥步骤的装置结构示意图。
图3是本发明的实施例的在微纳光纤表面涂覆紫外光敏功能化膜步骤的装置结构示意图。
图4是本发明的实施例的使用紫外光源对该紫外光敏功能化膜进行逐点曝光步骤的装置结构示意图。
图5是利用本发明的实施例的方法得到的长周期光栅的透射谱。
主要元件符号说明
| 普通光纤 | 10 |
| 过渡拉锥 | 12 |
| 微纳光纤 | 14 |
| 紫外光敏功能化膜 | 16 |
| 夹具 | 20 |
| 高温热源 | 22 |
| 检测光源 | 24 |
| 光谱仪 | 26 |
| 悬垂装置 | 30 |
| 液滴 | 32 |
| 紫外光源 | 40 |
| 紫外光 | 42 |
| 电控平移台 | 50 |
| 紫外光反射镜 | 52 |
| 紫外透镜或透镜组 | 54 |
| 快门 | 56 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的微纳光纤表面制作光栅的方法作进一步的详细说明。本发明利用功能化膜和紫外曝光相结合的方法制作微纳光纤光栅。概括地讲，本发明是首先利用紫外光敏薄膜对微纳光纤进行功能化，继而通过紫外光进行逐点曝光，最终在微纳光纤上实现光栅的制作。
本发明利用一种改进的浸没涂覆法，通过计算机通过控制电控平移台，实现涂覆速度和范围的控制，并利用低温热源加热薄膜促进溶剂挥发，在微纳光纤表面实现了紫外光敏功能薄膜的制备。
本发明还利用计算机控制扫描逐点曝光的技术方案，实现了微纳光纤光栅的制作。通过计算机控制电控平移台的移动来逐点控制曝光位置, 并控制快门的打开时间来逐点控制曝光时间，实现不同剂量地逐点曝光。该方法可以用于制备长周期光栅，也可以用于制备周期在波长量级的布拉格光栅。
请参阅图1，本发明实施例提供一种微纳光纤表面制作光栅的方法，具体包括以下步骤：
步骤S10，提供一微纳光纤；
步骤S20，在该微纳光纤表面涂覆一层紫外光敏功能化膜；以及
步骤S30，使用紫外光源对该紫外光敏功能化膜进行逐点曝光。
所述步骤S10中，所述微纳光纤14的制作方法为：用高温热源22加热一普通光纤10，同时利用夹具20将该普通光纤10向两端拉伸，通过计算机控制拉伸速度和高温热源22的运动。
请参阅图2，本发明实施例中，所述微纳光纤的制作方法具体为：去除普通光纤10表面涂覆层；将剥除涂覆层的普通光纤10两端固定于拉锥装置的夹具20上；利用高温热源22对普通光纤10进行往返扫描加热，夹具20同时向两边拉伸。进一步，该拉伸过程中普通光纤10一端接入检测光源24，另一端接入光谱仪26，对普通光纤10的插入损耗进行实时监控。通过计算机程序控制拉伸过程，可实现不同直径微纳光纤的拉制。拉制后的普通光纤10包括过渡拉锥12和微纳光纤14。所述高温热源22采用丁烷-氧气火焰、氢氧焰、CO2激光器，或高压电弧，温度高于1000˚C。所述拉锥装置采用计算机控制电控平移台进行高温热源22的扫描和普通光纤10两端的拉伸。所述普通光纤10为普通单模光纤或者多模光纤。所述微纳光纤14的直径为1微米-20微米。
所述步骤S20中，在该微纳光纤14表面涂覆一层紫外光敏功能化膜16的方法为：将该微纳光纤14浸没于悬垂的溶有紫外光敏材料的液滴32内；通过计算机控制液滴32沿该微纳光纤14的轴向移动，对微纳光纤14的表面涂覆形成预制层；以及利用低温热源加热已涂覆区的预制层，以促进溶剂的挥发，从而在微纳光纤14表面得到紫外光敏功能化膜16。可以理解，也可以通过将该微纳光纤14浸没于溶有紫外光敏材料的液体内，通过提拉法在该微纳光纤14表面涂覆一层紫外光敏功能化膜16。然而，提拉法难以控制涂层的区域和长度。通过移动悬垂的液滴32，可以在特定的区域实现长度可控的均匀涂覆。
请参阅图3，本发明实施例中，在该微纳光纤14表面涂覆一层紫外光敏功能化膜16的方法具体为：在图2的微纳光纤14拉锥完成后，撤去高温热源22，并保持该微纳光纤14悬空固定于该夹具20之间；将含有薄膜材料的液滴32悬垂于悬垂装置30出液口处，调节悬垂装置30位置，使微纳光纤14浸没于液滴32之中；将悬垂装置30固定于电动平移台上，通过计算机程序控制其沿微纳光纤14的轴向移动，对该微纳光纤14的表面进行涂覆形成预制层；涂覆完成后，使用低温热源对表面预制层进行加热，溶剂挥发后，即可获得功能化膜。进一步，在紫外光敏功能化膜16制备过程中，普通光纤10一端接入宽带检测光源24，另一端接入光谱仪26，对该微纳光纤14的透射光谱进行实施监控。所述液滴32悬垂于悬垂装置30出液口处，且悬垂装置30的位置通过三维平移台进行调节。所述液滴32包括溶剂和溶于该溶剂的紫外光敏性溶质。所述溶剂为正己烷、异己烷、环己烷、正戊烷、异戊烷、环戊烷、庚烷、辛烷、异辛烷、苯、甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、苯胺、氯仿和二氯亚砜中的一种或多种。所述紫外光敏性溶质为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚苯乙烯（PS）、聚亚酰胺（Polymide）、紫外光敏树脂SU-8和AZ4620中的一种或多种。
根据不同波长的紫外光源40可以选取相应的光敏材料。所述光敏材料为光栅波长处透明的紫外光敏材料。所述液滴悬垂装置30可以为注射器或移液器。所述液滴悬垂装置30固定于三维平移台上，可进行位置调整。所述电控平移台可由计算机程序控制，进行连续扫描式移动，移动速度为0.005毫米/秒-5毫米/秒。所述低温热源为火焰、恒温炉或加热灯，保证预制层加热温度低于200˚C。可以理解，本实施例也可以保持所述液滴32不动，使该微纳光纤14沿轴向移动，只要使该溶有紫外光敏材料的液滴32与该微纳光纤14在该微纳光纤的轴向相对发生移动即可。
所述步骤S30中，使用紫外光源40对该紫外光敏功能化膜16进行逐点曝光的方法为：通过该紫外光反射镜52和紫外透镜或透镜组54将紫外光42聚焦于该紫外光敏功能化膜16表面进行曝光。通过计算机控制的电控平移台50移动该紫外光反射镜52和紫外透镜或透镜组54，从而调节曝光位置。通过快门56控制曝光的时间。可以理解，使用紫外光源40对该紫外光敏功能化膜16进行逐点曝光的方法可以为周期性逐点曝光或非周期性逐点曝光。其中，周期性逐点曝光用于制作周期性光栅结构，非周期性逐点曝光用于制作啁啾光栅。
请参阅图4，本发明实施例中，使用紫外光源40对该紫外光敏功能化膜16进行逐点曝光的方法为：提供一计算机控制的电控平移台50，且该电控平移台上设置有紫外光反射镜52、紫外透镜或透镜组54以及快门56；所述紫外光源40发射紫外光42，且使该紫外光42通过该紫外光反射镜52反射后，再经过紫外透镜或透镜组54聚焦于该紫外光敏功能化膜16表面；通过计算机控制该电控平移台50移动来调节该紫外光42在该紫外光敏功能化膜16表面的曝光位置；以及打开该快门56曝光并利用该快门56控制曝光的时间。进一步，曝光过程中，普通光纤10一端接入宽带检测光源24，另一端接入光谱仪26，对该微纳光纤14的透射光谱进行实时监控。当获得所需透射光谱时，停止曝光。所述紫外光源40为紫外激光器或紫外灯，优选的，选用244 纳米的倍频氩离子激光器，便于与通用光纤光栅制备装置兼容。所述紫外透镜或透镜组54的焦距为0.1毫米-20毫米，聚焦光斑直径为100 纳米-100微米。所述快门56与电控平移台同步，光斑移动时所述快门56关闭，光斑静止时所述快门56开启。所述电控平移台50由计算机程序控制，进行步进式移动，每次移动的距离对应于光栅的栅线间距可以为周期性或非周期性的，移动的距离为100纳米-1毫米。所述电控平移台50扫描速度为0.005 毫米/秒-5毫米/秒。
图5所示为利用本发明的方法在微纳光纤14表面制作的长周期光栅的透射光谱，其中，微纳光纤14的直径5.4微米，光栅周期80微米，谐振波长为1377 纳米。
本发明提供的微纳光纤表面制作光栅的方法与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：第一，本发明采用功能化膜实现了微纳光纤的紫外光敏功能化，无需采用特种光纤，即可在普通光纤拉制的微纳光纤中进行光栅的制作；第二，本发明所采用功能化膜在普通光纤布拉格光栅的曝光波长处(比如244纳米、248纳米和193纳米)具有明显的光敏性，可以实现与通用的光纤光栅制备系统的兼容；第三，本发明所采用功能化膜具有较高的光敏性，可以降低对光源的要求，在选取适当材料的前提下，除激光器以外，还可以使用紫外灯等光源进行曝光；第四，本发明可以采用紫外透镜组或物镜聚焦，由于使用了与CO2激光相比波长很短的紫外光，光斑直径可以小至 100纳米尺度，可实现高精细度的微纳结构的制作；第五，本发明所采用的功能薄膜种类繁多，可以针对不同波长的光源进行扩展，通过选取相应的光敏材料，实现光纤光栅的制作。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种微纳光纤表面制作光栅的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
提供一微纳光纤；
在该微纳光纤表面涂覆一层紫外光敏功能化膜，该紫外光敏功能化膜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚亚酰胺、紫外光敏树脂SU-8和AZ4620中的一种或多种；以及
使用紫外光源对该紫外光敏功能化膜进行逐点曝光。
2.根据权利要求1所述的微纳光纤表面制作光栅的方法，其特征在于，所述在该微纳光纤表面涂覆一层紫外光敏功能化膜的方法包括以下步骤：
利用一液滴悬垂装置将溶有紫外光敏材料的液滴悬垂于空中；
将该微纳光纤浸没在该溶有紫外光敏材料的液滴中；
使该溶有紫外光敏材料的液滴与该微纳光纤在该微纳光纤的轴向相对移动，从而在该微纳光纤表面形成一预制层；以及
对该微纳光纤表面的预制层进行加热。
3.根据权利要求2所述的微纳光纤表面制作光栅的方法，其特征在于，所述对该微纳光纤表面的预制层进行加热的温度低于200℃。
4.根据权利要求2所述的微纳光纤表面制作光栅的方法，其特征在于，所述液滴悬垂装置固定于一电控平移台上，所述电控平移台由计算机程序控制进行连续扫描式移动，移动速度为0.005毫米/秒-5毫米/秒。
5.根据权利要求2所述的微纳光纤表面制作光栅的方法，其特征在于，所述液滴包括溶剂和溶于该溶剂中的紫外光敏性溶质；所述溶剂为正己烷、异己烷、环己烷、正戊烷、异戊烷、环戊烷、庚烷、辛烷、异辛烷、苯、甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、苯胺、氯仿和二氯亚砜中的一种或多种；所述光敏性溶质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚亚酰胺、紫外光敏树脂SU-8和AZ4620中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的微纳光纤表面制作光栅的方法，其特征在于，所述使用紫外光源对该紫外光敏功能化膜进行逐点曝光的方法包括以下步骤：提供一计算机控制的电控平移台，且该电控平移台上设置有紫外光反射镜、紫外透镜或透镜组以及快门；
所述紫外光源发射紫外光，且使该紫外光通过该紫外光反射镜反射后，再经过紫外透镜或透镜组聚焦于该紫外光敏功能化膜表面；
通过计算机控制该电控平移台的移动来调节该紫外光在该紫外光敏功能化膜表面的曝光位置；以及
打开该快门曝光并利用该快门控制曝光的时间。
7.根据权利要求6所述的微纳光纤表面制作光栅的方法，其特征在于，所述通过计算机控制该电控平移台移动的方法为：使该电控平移台在该计算机控制下作步进式移动，每次移动的距离对应于光栅的栅线间距是周期性或非周期性的，移动的距离为100纳米-1毫米。
8.根据权利要求6所述的微纳光纤表面制作光栅的方法，其特征在于，所述电控平移台的扫描速度为0.005毫米/秒-5毫米/秒。
9.根据权利要求6所述的微纳光纤表面制作光栅的方法，其特征在于，所述紫外光在该紫外光敏功能化膜表面形成的光斑直径为100纳米-100微米。
10.根据权利要求1所述的微纳光纤表面制作光栅的方法，其特征在于，所述涂覆紫外光敏功能化膜以及逐点曝光的过程中，该微纳光纤一端接入宽带检测光源，另一端接入光谱仪，以对该微纳光纤的透射光谱进行实施监控。
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