CN107601848A - 基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法，包括以下步骤：(1)将已均匀加热的标准单模光纤在短时间内沿轴向迅速向相反的方向同时拉伸；(2)完成一次拉伸后稍作停顿，使得已经被拉伸的光纤重新均匀受热；(3)按顺序重复步骤(1)和步骤(2)若干次，直至获得指定腰区直径的激发多模干涉的微纳光纤。本发明制备的激发多模干涉的微纳光纤折射率传感的灵敏度比传统玻璃材料的灵敏度要高很多，这在激光器和传感器等诸多领域中有着广泛的潜在应用。
Description
技术领域
本发明属于微纳光纤制备技术领域，具体涉及一种基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法。
背景技术
直径在波长量级的微纳光纤以其高紧凑性以及强倏逝场的特性，吸引了越来越多微型光子学器件研究领域的关注，成为光学传感器件中必不可少的组成部分。微纳光纤制作方法主要有手工制备和机械化制备两类：手工方法有两步拉伸法、自调制拉伸法和块状玻璃直接拉伸法等，其优点是微纳光纤表面光滑且控制灵活，但其缺点是重复性差和无法批量生产。机械化制备方法主要采用精密电机控制微纳光纤的拉伸速度和力度，采用火焰、激光或电作为加热源，其优点是重复性好、适合批量生产，但其灵活性较差且造价较高。
激发多模干涉的微纳光纤不但继承了微纳光纤体积小、造价低和兼容性好的特点，且其折射率传感灵敏度高于其他光纤折射率传感器灵敏度两个数量级。干涉型折射率传感器的灵敏度S可以表示如下：
其中λ是探测波长，n是外部介质折射率，B＝n1-n2是干涉的两种模式的有效折射率差，的物理意义是外部环境变化对干涉的两种模式的有效折射率差的影响。越大，传感器的灵敏度越高。就微纳光纤来说，相比于其他形式的光纤折射率传感器大很多，也就是说微纳光纤在折射率传感方面具有独特的优势，但是无论是微纳光纤Knot结构还是微纳光纤Loop结构，其B较大，约为1.4，并且很难进一步减小。而激发多模干涉的微纳光纤很好的解决了这一点，激发多模干涉的微纳光纤中干涉的两种模式的有效折射率非常接近，B约为10-2，所以说其原理上更加适合折射率的传感。
但是激发多模干涉的微纳光纤在制备时为了形成非绝热结构需要锥角很大的锥形区域，前面介绍的微纳光纤制备方法基本上难以进行激发多模干涉的微纳光纤的制备。如图1所示，现阶段已经报道过的激发多模干涉的微纳光纤制备方法如用两步拉伸法的(Dong,H.,Fu,J.,Tong,L.,Tang,S.,&Xu,Y.(2009).Transverse Multimode Evolution inMicro/Nanofiber Tapers.Communications and Photonics Conference and Exhibition(Vol.27,pp.1-2).IEEE.)，需要先将单模光纤在熔接机中制造一个陡峭的锥形结构后再用火焰拉伸法进一步将光纤的直径拉细，这种制造方法较为复杂且可重复性较差，制作的时间和物质耗费很大。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法，该方法可以简单高效的制备稳固的激发多模干涉的微纳光纤，且其成本低，灵活性好，可重复性高。
基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法，包括以下步骤：
(1)将已均匀加热的光纤在短时间内沿轴向迅速向相反的方向同时拉伸；
(2)完成一次拉伸后稍作停顿，使得已经被拉伸的光纤重新均匀受热；
(3)按顺序重复步骤(1)和步骤(2)若干次，直至获得指定腰区直径的激发多模干涉的微纳光纤。
进一步，步骤(1)中，所述均匀加热的光纤的长度为7mm～15mm。
进一步，步骤(1)中，光纤的拉伸时间为0.1s～0.5s，拉伸距离为0.5mm～1.0mm。
进一步，步骤(1)中，停顿的时间为0.5s～1s。
进一步，步骤(3)中，按顺序重复步骤(1)和步骤(2)18～30次。
进一步，步骤(3)中，指定腰区直径为2.37～3.54μm。
进一步，根据基于多步间歇式拉伸的制备方法制备得到激发多模干涉的微纳光纤。
进一步，根据基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法所采用的制备装置，包括两个三维调整架和位于三维调整架中间的加热设备，所述三维调整架在远离加热设备的一端设有轴向拉伸旋钮，所述三维调整架的上方和侧面分别设有一位置调整旋钮，所述三维调整架的上方还安装有光纤夹具，光纤可通过两光纤夹具固定并保持与三维调整架同轴方向，所述加热设备的顶端朝向光纤的一段形成加热区域。
与现有制备多模微纳光纤技术相比，本发明方法具有如下优点：
本发明通过多步间歇式拉伸制备激发多模干涉的微纳光纤，具有方法简单、成本低、结构稳固的特点，本发明能够通过对拉伸过程中所选参数的调整，灵活地控制腰区直径和干涉模式，本发明制备的折射率传感的灵敏度比传统玻璃材料的灵敏度要高很多，这在激光器和传感器等诸多领域中有着广泛的潜在应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为两步拉伸法制备激发多模干涉的微纳光纤；
图2为多步间歇式拉伸制备激发多模干涉的微纳光纤的装置结构示意图；
图3为三维调整架沿轴向随时间移动的过程图；
图4为制备的激发多模干涉的微纳光纤的显微镜照片图；
图5为实施例1制备好的激发多模干涉的微纳光纤的透射光谱；
图6为实施例2制备好的激发多模干涉的微纳光纤的透射光谱；
图7为(a)两步拉伸法示意图和(b)多步间歇式拉伸法示意图；
附图标记：1-光纤；2-加热区域；3-加热设备；、4-三维调整架；5-轴向拉伸旋钮；6-位置调整旋钮；7-光纤夹具。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法，包括以下步骤：
(1)将已均匀加热的长度为7mm～15mm的光纤在0.1s～0.5s内沿轴向迅速向相反的方向同时拉伸0.5mm～1.0mm；
(2)完成一次拉伸后停顿0.5s～1s，使得已经被拉伸的光纤重新均匀受热；
(3)按顺序重复步骤(1)和步骤(2)18～30次，直至获得腰区直径为2.37～3.54μm的激发多模干涉的微纳光纤。
如图2所示，根据基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法所采用的制备装置，包括两个三维调整架4和位于三维调整架4中间的加热设备3，所述三维调整架4在远离加热设备的一端设有轴向拉伸旋钮5，所述三维调整架4的上方和侧面分别设有一位置调整旋钮6，所述三维调整架4的上方还安装有光纤夹具7，光纤可通过两光纤夹具7固定并保持与三维调整架4同轴方向，所述加热设备3的顶端朝向光纤1的一段形成加热区域2。
实施例1
制备以常用的二氧化硅标准单模光纤制备激发多模干涉的微纳光纤，步骤如下：
1、如图2所示，首先将二氧化硅标准单模光纤1去掉涂覆层用光纤夹具7固定，然后通过调整使其准直，即在侧向不受力，两个光纤夹具间光纤的长度为10cm。
2、用加热设备3加热长度约为7mm的二氧化硅标准单模光纤，保持30s使得光纤充分加热至熔融状态(约为1650(±50)℃)。
3、转动三维调整架4的轴向拉伸旋钮5使得两个光纤夹具沿轴向向相反的方向以相同的方式同时移动，如图3所示，具体步骤如下：(1)在0.1s的时间内迅速移动0.5mm。(2)暂停移动，保持1s。(3)重复上述过程30次。如图3所示。
4、经过上述过程后，拉制的微纳光纤腰部直径已经减小到2.37μm，这时在光纤内部同时存在多种模式(HE11、TE01和TM01等)。整个过程可以在3分钟内完成。
图4给出了通过多步间歇式拉伸后激发多模干涉的微纳光纤的显微镜照片图，可以看到光纤的腰区较为平缓光滑，而锥区有陡峭的微型非绝热结构。
图5给出了一根长度为3cm，腰区直径为2.37微米，外部环境介质折射率为1.33的二氧化硅激发多模干涉的微纳光纤透射光谱。可以看到透射光谱中在1210nm和1258nm等处有多个干涉峰，实验结果与理论计算结果相吻合。验证了多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤里面的多模干涉效应。
实施例2
1、首先将二氧化硅标准单模光纤1去掉涂覆层用光纤夹具7固定，然后通过调整使其准直，即在侧向不受力，两个光纤夹具间光纤的长度为10cm。
2、用加热设备3加热长度约为15mm的二氧化硅标准单模光纤，保持30s使得光纤充分加热至熔融状态(约为1650(±50)℃)。
3、转动三维调整架4的轴向拉伸旋钮5使得两个光纤夹具沿轴向向相反的方向以相同的方式同时移动，具体步骤如下：(1)在0.5s的时间内迅速移动1.0mm。(2)暂停移动，保持0.5s。(3)重复上述过程18次。
图6给出了一根长度为2.6cm，腰区直径为3.54μm，外部环境介质折射率为1.33的二氧化硅激发多模干涉的微纳光纤透射光谱。可以看到透射光谱中在1480nm和1510nm等处有多个干涉峰，实验结果与理论计算结果一致。验证了多步间歇式拉伸的二氧化硅微纳光纤里面的多模干涉效应。
如图7所示，本发明提出的多步间歇式拉伸法可将激发多模干涉的微纳光纤所必需的大锥角非绝热锥区巧妙地分散为很多微型的非绝热锥区。本发明的方法有效的增加了整个锥形区域的长度，既保证了微纳光纤中多模的产生和保持，又减小了制备难度并增加了锥形区的稳固性。同时，通过控制拉伸过程中的参数，可以灵活的掌控激发多模干涉的微纳光纤的结构尺寸。本发明提出的多步间歇式拉伸法从来没有被用在加工激发多模干涉的微纳光纤上，类似的方法也未见报道。
以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将已均匀加热的光纤在短时间内沿轴向迅速向相反的方向同时拉伸；
(2)完成一次拉伸后稍作停顿，使得已经被拉伸的光纤重新均匀受热；
(3)按顺序重复步骤(1)和步骤(2)若干次，直至获得指定腰区直径的激发多模干涉的微纳光纤。
2.根据权利要求1所述的基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述均匀加热的光纤的长度为7mm～15mm。
3.根据权利要求1所述的基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法，其特征在于：步骤(1)中，光纤的拉伸时间为0.1s～0.5s，拉伸距离为0.5mm～1.0mm。
4.根据权利要求1所述的基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法，其特征在于：步骤(1)中，停顿的时间为0.5s～1s。
5.根据权利要求1所述的基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法，其特征在于：步骤(3)中，按顺序重复步骤(1)和步骤(2)18～30次。
6.根据权利要求1所述的基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法，其特征在于：步骤(3)中，指定腰区直径为2.37～3.54μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于多步间歇式拉伸的激发多模干涉的微纳光纤制备方法制备得到的激发多模干涉的微纳光纤。
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