CN107462949A - 一种螺旋光纤光栅制造装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种螺旋光纤光栅制造装置及其制造方法，涉及螺旋光纤光栅。装置设有直流电机、储料管、金属杆、加热器、温度控制器、微通道、电源、导电基底、平移台控制器和X‑Y轴精密平移台。将静电纺丝原料加入储料管中，调节温度控制器加热，以去除原料中的水分，再调节温度到原料熔点；将金属杆插入熔体聚合物中并伸出微通道下出料口，调节直流电机转速直至针尖被熔体聚合物包裹，保证熔融液体稳定流出；打开电源开关，调节导电基底的电压到预设的负压，静电纺丝过程开始，在导电基底上收集得静电纺丝纤维，在沉积过程中温度降低固化，形成螺旋结构；通过平移台控制器使X‑Y轴精密平移台带动导电基底运动，得到具有可控直径和螺距的螺旋光纤光栅。

Description

一种螺旋光纤光栅制造装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及螺旋光纤光栅，尤其是涉及一种螺旋光纤光栅制造装置及其制造方法。
背景技术
螺旋光纤光栅最早由Kopp等人于2003年提出，它由截面非圆对称的石英光纤在熔融状态下高速扭转制作而成，其沿角向和纵向传播方向都存在周期性折射率调制，是一种新型的光波导结构。其不仅具有传统光纤光栅的波长选择特性，还具有传统光纤光栅所不具备的偏振敏感特性，基于它的圆偏振起偏器在相干光通信、电流传感、光纤陀螺中都有重要应用(Z.Lin,A.Wang,L.Xu,and et al.,Generation of optical vortices using ahelical fiber Bragg grating,Journal of Lightwave Technology,32(11):2152-2156(2014))。螺旋光纤光栅在激光器、滤波、传感等领域具有潜在的应用前景，目前已经有商用化石英基螺旋光纤光栅器件诞生。
制造螺旋光纤光栅的关键在于光纤的旋转，目前的主要制造方法有以下几种，一是在光纤上缠绕铜线，通过铜线施加应力造成光纤扭曲的方法生成螺旋折射率分布；二是高速旋转熔融状态的光纤预制棒或商用石英光纤来实现光纤的扭转；三是通过单面曝光技术对纤芯折射率进行螺旋形调制。以上三种螺旋光纤光栅的制造方法设备复杂、成本较高，制造过程繁杂、效率低下，并且前两种方法只适用于长周期螺旋光纤光栅的制作，应用范围受到限制(S.Xiang,H.Xiongwei,Y.Luyun,and et al.,Helical long-period gratingmanufactured with a CO2 laser on multicore fiber,Optics Express,25(9):10405-10412(2017))。
轴在非牛顿流体中转动时，流体会受到剪切力的作用，被剪切的流动单元会有弹性恢复力，产生包轴爬杆效应(K.Weissenberg,A Continuum Theory of RheologicalPhenomena.Nature.159(1947)310-311)，进而可以实现液体的输运。旋转的金属杆带动针尖熔体聚合物旋转，在针尖处形成旋转液滴，旋转液滴在高压电场的作用下被拉制成纤维，由于在拉伸过程中纤维的快速固化，使得其保持之前的螺旋状况，进而形成螺旋纤维。
发明内容
本发明的目的在于针对螺旋光纤光栅的制造设备复杂、成本较高，制造过程繁杂、效率低下等问题，提供简单、低成本，能高效地制作出光纤直径和螺旋周期大范围可调的一种螺旋光纤光栅制造装置及其制造方法。
所述螺旋光纤光栅制造装置设有直流电机、储料管、金属杆、加热器、温度控制器、微通道、电源、导电基底、平移台控制器和X-Y轴精密平移台；所述储料管上端的金属盖帽中心打孔，金属杆与金属盖帽中心打孔对中，储料管另一端与微通道通过标准接口连接，所述金属杆的平头端通过联轴器与直流电机联接，金属杆的针尖端略微伸出微通道下出料口，所述微通道与电源接地端连接，所述加热器与储料管紧密接触，温度控制器调节储料管中聚合物材料温度，所述导电基底与电源负压端连接，导电基底绝缘放置于由平移台控制器控制的X-Y轴精密平移台上。
所述储料管可采用金属储料管，所述金属杆可为带有针尖的金属杆，所述微通道可采用金属微通道，所述电源可采用高压直流电源。所述金属杆的针尖端略微伸出微通道下出料口0.5～1mm，金属杆的转速可为500～20000r/min。
所述螺旋光纤光栅制造方法包括以下步骤：
1)将静电纺丝原料加入储料管中，根据加入的静电纺丝原料类型调节温度控制器加热，以去除静电纺丝原料中的水分，再调节温度到原料熔点；
2)保持温度不变，将金属杆插入熔体聚合物中并略微伸出微通道下出料口，调节直流电机转速直至针尖被熔体聚合物包裹，并保证熔融液体稳定流出；
3)打开电源开关，调节导电基底的电压到预设的负压，静电纺丝过程开始，在导电基底上收集得到静电纺丝纤维，静电纺丝纤维在沉积过程中温度降低固化，从而形成螺旋结构；通过平移台控制器使X-Y轴精密平移台按照预定路线带动导电基底运动，得到具有可控直径和螺距的螺旋光纤光栅。
在步骤1)中，所述静电纺丝原料可采用熔体聚合物原料，所述熔体聚合物原料可选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)或聚碳酸酯(PC)等透明高分子材料以及掺杂有邻苯二甲酸二乙基己酯(DOTP)或三氟乙醇(TFE)等添加剂的聚合物材料。
在步骤2)中，所述将金属杆插入熔体聚合物中并略微伸出微通道下出料口0.5～1mm；所述电机转速可为500～20000r/min。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：一是制造螺旋光纤光栅的装置结构简单、成本低廉、制造效率高、可重复性强，制备出的螺旋光纤光栅性能稳定；二是通过简单调节静电纺丝电压和导电收集基底移动速度等参数就可以方便、在线控制螺旋光纤光栅的直径和螺距等特征参数，能够制造不同类型(长周期、布拉格)以及复杂结构(周期可变)的螺旋光纤光栅；三是可以采用多种聚合物材料制造螺旋光纤光栅，有利于降低成本和扩大螺旋光纤光栅的适用范围。
附图说明
图1为本发明所述螺旋光纤光栅制造装置的结构示意图。
图2为本发明所述螺旋光纤光栅制造方法的扫描电子显微镜(SEM)图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
结合图1，带有针尖的金属杆4平头端通过联轴器与直流电机1联接，金属杆4针尖端略微伸出金属微通道7；金属储料管2上端的金属盖帽中心打孔，以便金属杆穿透和对中，另一端与金属微通道通过标准接口连接；加热器5与金属储料管2紧密接触，通过温度控制器6调节储料管2中熔体聚合物原料3温度；金属微通道7与高压直流电源8接地端连接；导电基底10与高压直流电源8负压端接连，并绝缘放置于由平移台控制器11控制的X-Y轴精密平移台12上；通过改变导电基底10与金属杆4针尖端距离、高压直流电源8电压以及导电基底10移动速度调节螺旋光纤光栅9直径和光栅周期。在图1中，GND为接地。
以下给出具体实施例。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)粉末加入金属储料管中，调节温度控制器加热到100℃并保持2～4h；将PMMA/DOTP按60％/40％的质量百分比加入邻苯二甲酸二乙基己酯(DOTP)，调节温度到(250±10)℃并保持30min；保持温度不变将带有针尖的金属杆插入熔体聚合物中并略微伸出金属微通道下出料口0.5mm；缓慢调节直流电机转速至5000r/min保证稳定供液；打开高压电源开关，调节导电基底电压到3kV，静电纺丝过程开始，在导电基底上收集得到静电纺丝纤维；调节X-Y轴精密平移台以15mm/s的速度沿直线运动，得到直径5μm，螺距为14μm的螺旋光纤光栅，如图2所示，在图2中，标记13为包层为空气的螺旋光纤光栅。
本发明根据韦森堡效应通过旋转金属杆使得聚合物熔体沿杆爬升至针尖，进而达到供液的效果。金属杆带动针尖熔体聚合物旋转，在针尖处形成旋转液滴，通过静电纺丝拉制出直径可控的微纳光纤，纤维在沉积过程中温度降低固化，形成螺旋结构，从而制造出螺旋光纤光栅。

Claims (10)

1.一种螺旋光纤光栅制造装置，其特征在于设有直流电机、储料管、金属杆、加热器、温度控制器、微通道、电源、导电基底、平移台控制器和X-Y轴精密平移台；所述储料管上端的金属盖帽中心打孔，金属杆与金属盖帽中心打孔对中，储料管另一端与微通道通过标准接口连接，所述金属杆的平头端通过联轴器与直流电机联接，金属杆的针尖端略微伸出微通道下出料口，所述微通道与电源接地端连接，所述加热器与储料管紧密接触，温度控制器调节储料管中聚合物材料温度，所述导电基底与电源负压端连接，导电基底绝缘放置于由平移台控制器控制的X-Y轴精密平移台上。
2.如权利要求1所述一种螺旋光纤光栅制造装置，其特征在于所述储料管采用金属储料管。
3.如权利要求1所述一种螺旋光纤光栅制造装置，其特征在于所述金属杆为带有针尖的金属杆。
4.如权利要求1所述一种螺旋光纤光栅制造装置，其特征在于所述微通道采用金属微通道。
5.如权利要求1所述一种螺旋光纤光栅制造装置，其特征在于所述电源采用高压直流电源。
6.如权利要求1所述一种螺旋光纤光栅制造装置，其特征在于所述金属杆的针尖端伸出微通道下出料口0.5～1mm。
7.如权利要求1所述一种螺旋光纤光栅制造装置，其特征在于所述金属杆的转速为500～20000r/min。
8.螺旋光纤光栅制造方法，其特征在于，采用如权利要求1～7中任一所述螺旋光纤光栅制造装置，包括以下步骤：
1)将静电纺丝原料加入储料管中，根据加入的静电纺丝原料类型调节温度控制器加热，以去除静电纺丝原料中的水分，再调节温度到原料熔点；
2)保持温度不变，将金属杆插入熔体聚合物中并略微伸出微通道下出料口，调节直流电机转速直至针尖被熔体聚合物包裹，并保证熔融液体稳定流出；
3)打开电源开关，调节导电基底的电压到预设的负压，静电纺丝过程开始，在导电基底上收集得到静电纺丝纤维，静电纺丝纤维在沉积过程中温度降低固化，从而形成螺旋结构；通过平移台控制器使X-Y轴精密平移台按照预定路线带动导电基底运动，得到具有可控直径和螺距的螺旋光纤光栅。
9.如权利要求8所述螺旋光纤光栅制造方法，其特征在于在步骤1)中，所述静电纺丝原料采用熔体聚合物原料，所述熔体聚合物原料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯(PS)或聚碳酸酯透明高分子材料以及掺杂有邻苯二甲酸二乙基己酯或三氟乙醇添加剂的聚合物材料。
10.如权利要求8所述螺旋光纤光栅制造方法，其特征在于在步骤2)中，所述将金属杆插入熔体聚合物中并伸出微通道下出料口0.5～1mm；所述电机转速为500～20000r/min。
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