CN107608022B - 微纳光纤布拉格光栅的制备系统及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光栅技术领域，提供了微纳光纤布拉格光栅的制备方法及系统，制备系统包括激光产生单元、制备单元、位移平台和上位机，样品放置于位移平台上，样品为涂覆有一层固化胶的微纳光纤；激光产生单元，用于产生预置功率值的飞秒激光，并将飞秒激光传输给制备单元；制备单元，用于将飞秒激光聚焦在微纳光纤上；上位机，用于控制位移平台进行移动，以使飞秒激光沿微纳光纤的径向扫描，在所述微纳光纤上固化预先设置的布拉格光栅。本发明实施例制备微纳光纤布拉格光栅不需要繁琐的光栅增敏性处理过程，且光栅周期可控，反射率高，同时本实施例制备的布拉格光栅固化在微纳光纤表面，对外界环境极其敏感，本发明实施例提供的制备系统价格低廉。

Description

微纳光纤布拉格光栅的制备系统及制备方法

技术领域

本发明属于光栅技术领域，尤其涉及一种基于飞秒激光双光子聚合技术的微纳光纤布拉格光栅的制备系统及制备方法。

背景技术

在现有技术中，主要通过以下方法制备布拉格光栅：

1、相位掩膜法：利用紫外光照射在相位掩膜板上，通过相位掩膜板的衍射作用产生衍射条纹，正负1级衍射条纹在经过干涉后会形成明暗相间的条纹落在微纳光纤上，当微纳光纤在亮条纹位置时，其光敏性部分就会曝光发生折射率变化形成光栅。该方法的缺点是相位掩膜板价格昂贵且周期固定。

2、HF酸腐蚀法：裸光纤的制作材料二氧化硅仅与HF酸(氢氟酸)反应，将写有光栅的光纤置于含有HF酸溶液的装置中，通过控制HF酸的环境温度和HF酸的浓度，便可腐蚀掉包层，得到微纳光纤光栅。该方法的缺点是HF酸带有毒性。

3、聚焦离子束刻蚀：采用离子源发射的离子束经过加速聚焦后作为入射束，高能量的离子与固体表面原子碰撞的过程中可以将固体原子溅射剥离，利用加速离子在微纳光纤表面形成周期性折射率调制的波纹结构，该方法的缺点是耗时较长，加工出来的结构有时会产生缺陷而且设备昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于飞秒激光双光子聚合技术的微纳光纤布拉格光栅的制备系统及制备方法，旨在解决现有技术制备光栅的设备昂贵、制备周期长的问题。

本发明是这样实现的，一种基于飞秒激光双光子聚合技术的微纳光纤布拉格光栅的制备系统，包括激光产生单元、制备单元、位移平台和上位机，样品放置于所述位移平台上，所述样品为涂覆有一层固化胶的微纳光纤；

所述激光产生单元，用于产生预置功率值的飞秒激光，并将所述飞秒激光传输给所述制备单元；

所述制备单元，用于将所述飞秒激光聚焦在所述微纳光纤上；

所述上位机，用于控制所述位移平台进行移动，以使所述飞秒激光沿所述微纳光纤的径向扫描，在所述微纳光纤上固化预先设置的布拉格光栅。

进一步地，所述激光产生单元包括飞秒激光器、扩束镜、激光功率衰减器和光路调整模块；

所述飞秒激光器，用于产生飞秒激光，并将所述飞秒激光入射至所述扩束镜；

所述扩束镜，用于对所述飞秒激光进行扩束，将扩束后的飞秒激光入射至所述激光功率衰减器；

所述激光功率衰减器，用于对入射的飞秒激光进行功率调节，将功率调节后的飞秒激光入射至所述光路调整模块；

所述光路调整模块，用于对入射的飞秒激光进行光路调整，使飞秒激光按照预置角度入射至所述制备单元。

进一步地，所述激光产生单元还包括与所述上位机相连接的功率计和开关；

所述功率计，位于所述激光功率衰减器和所述光路调整模块之间，用于获取所述功率调节后的飞秒激光的功率值，并发送给所述上位机；

所述开关，用于控制射入所述制备单元的飞秒激光的照射时间。

进一步地，所述光路调整模块包括两个反射镜。

进一步地，制备单元包括双色镜和显微物镜；

所述双色镜，用于将入射的飞秒激光中的近红外波段的光束反射入所述显微物镜；

所述显微物镜，用于将所述近红外波段的光束聚焦在所述微纳光纤上。

进一步地，所述制备系统还包括观察单元；

所述观察单元，用于观察所述飞秒激光进行扫描时，所述固化胶的固化现象。

进一步地，所述观察单元包括滤波片和图像传感器CCD；

所述双色镜，用于将入射的飞秒激光中的可见光透射入所述滤波片；

所述可见光经所述滤波片进行滤波后进入所述图像传感器CCD成像。

本发明实施例还提供了一种通过上述所述的微纳光纤布拉格光栅的制备系统制备微纳光纤布拉格光栅的制备方法，包括：

采用光纤拉锥法制备出预置直径的微纳光纤；

将所述微纳光纤固定在载玻片上，在所述微纳光纤上均匀涂覆一层固化胶并盖上盖玻片，制备得到样品；

将所述样品固定在位移平台上，并将所述样品调整至水平；

利用激光功率衰减器将飞秒激光调节至预置功率值，通过上位机控制位移平台的水平移动速度，利用显微物镜将功率调整后的飞秒激光聚焦在所述微纳光纤上；

利用聚焦后的飞秒激光，根据预设的扫描方式在所述样品上固化预先设置的布拉格光栅；

使用清洗液冲洗固化后的样品，再用酒精冲洗样品残留的清洗液，制备得到固化在所述微纳光纤上的微纳光纤布拉格光栅。

进一步地，所述清洗剂为异丙醇，所述使用清洗液冲洗固化后的样品，再用酒精冲洗样品残留的清洗液包括：

取下所述盖玻片，使用所述异丙醇冲洗所述固化后的样品30秒～2分钟后，再用酒精冲洗样品30秒～2分钟。

进一步地，所述载玻片为氟化镁片，所述布拉格光栅的栅格间距Λ为0.5微米至3微米，栅格周期数N为300至500，单个栅格长度l为3微米至8微米。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施例通过在微纳光纤上涂覆一层固化胶制备得到样品，并通过聚焦后的飞秒激光在样品上固化预先设置的布拉格光栅，本发明实施例与相位掩膜板法相比，制备微纳光纤布拉格光栅不需要繁琐的光栅增敏性处理过程，且光栅周期可控，反射率高，同时本实施例制备的布拉格光栅固化在微纳光纤表面，对外界环境极其敏感，本发明实施例通过在微纳光纤表面固化出布拉格光栅引起折射率的调制，对光纤本身没有不造成任何的损伤或者形变，制备过程简单，制备系统相对现有技术的设备来说，价格低廉。

附图说明

图1是本发明实施例提供的微纳光纤布拉格光栅的制备系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的微纳光纤布拉格光栅的制备系统的详细结构示意图；

图3是本发明实施例提供的微纳光纤布拉格光栅的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的通过微纳光纤布拉格光栅的制备系统制备微纳光纤布拉格光栅的流程图；

图5是本发明实施例提供的微纳光纤布拉格光栅的扫描电镜图；

图6是本发明实施例提供的不同折射率液的光栅光谱图；

图7是本发明实施例提供的光栅布拉格峰波长随着折射率液变化的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的一种微纳光纤布拉格光栅的制备系统，包括激光产生单元1、制备单元2、位移平台3和上位机4，样品放置于位移平台3上，所述样品为涂覆有一层固化胶的微纳光纤；

激光产生单元1，用于产生预置功率值的飞秒激光，并将所述飞秒激光传输给制备单元2；

制备单元2，用于将所述飞秒激光聚焦在所述微纳光纤上；

上位机4，用于控制位移平台3进行移动，以使所述飞秒激光沿所述微纳光纤的径向扫描，在所述微纳光纤上固化预先设置的布拉格光栅。

在具体使用中，位移平台3为三维精密位移平台，该三维粳米移动平台可以在上位机4的控制下沿水平方向及竖直方向运动，同时还可以通过上位机4控制下该三维精密移动平台的运动速度。进一步地，上位机4为电脑。

图2示出了本发明实施例提供的微纳光纤布拉格光栅的制备系统，包括激光产生单元1、制备单元2、位移平台3、上位机4和观察单元5，其中：

激光产生单元1包括飞秒激光器、扩束镜、激光功率衰减器、功率计、开关和光路调整模块；

所述飞秒激光器，用于产生飞秒激光，并将所述飞秒激光入射至所述扩束镜；

所述扩束镜，用于对所述飞秒激光进行扩束，将扩束后的飞秒激光入射至所述激光功率衰减器；

所述激光功率衰减器，用于对入射的飞秒激光进行功率调节，功率调节后的飞秒激光经所述功率计后入射至所述光路调整模块；

所述功率计，位于所述激光功率衰减器和所述光路调整模块之间，用于获取所述功率调节后的飞秒激光的功率值，并发送给所述上位机；

所述开关，用于控制射入所述制备单元的飞秒激光的照射时间。

所述光路调整模块，用于对入射的飞秒激光进行光路调整，使飞秒激光按照预置角度入射至所述制备单元。在实际应用中，光路调整模块包括两个反射镜，功率调整后的飞秒激光经两个反射镜反射后，按照预置的入射角度入射至制备单元2；

制备单元2包括双色镜和显微物镜；

所述双色镜，用于将入射的飞秒激光中的近红外波段的光束反射入所述显微物镜；

所述显微物镜，用于将所述近红外波段的光束聚焦在所述微纳光纤上。在本实施例中，显微物镜为油浸物镜。

观察单元5，用于观察所述飞秒激光进行扫描时，所述固化胶的固化现象，包括滤波片和图像传感器CCD；

所述双色镜，用于将入射的飞秒激光中的可见光透射入所述滤波片；

所述可见光经所述滤波片进行滤波后进入所述图像传感器CCD成像。

在本发明实施例中，首先，飞秒激光器产生的飞秒激光光束通过扩束镜扩束，扩束后的激光光斑大小为扩束前的2至3倍，扩束后的飞秒激光通过激光功率衰减器以及两个反射镜后经过数值孔径大于0.8的油浸物镜聚焦到固化胶的胶水内部。其中，激光衰减器用于调节飞秒激光的功率值，功率计用于探测飞秒激光的功率值，电脑驱动的开关用于控制飞秒激光的照射时间，飞秒激光中的可见光部分透过双色镜后再通过滤波片滤掉多余的红光后进入图像传感器CCD成像，以便实时观察固化现象，而飞秒激光中的近红外波段光束经双色镜反射后进入显微物镜聚焦到固化胶的胶水内部进行加工。样品被固定在三维精密位移平台上，通过电脑控制三维精密位移平台在X、Y、Z三个方向的移动。图3为通过本发明实施例制备的微纳光纤布拉格光栅，固化的布拉格光栅均匀的分布在微纳光纤表面。

图4示出了本发明实施例提供的通过上述微纳光纤布拉格光栅的制备系统制备微纳光纤布拉格光栅的制备方法，包括：

S401，采用光纤拉锥法制备出预置直径的微纳光纤。在本步骤中，采用传统的光纤拉锥法制备出直径小于4微米的微纳光纤。

S402，将所述微纳光纤固定在载玻片上，在所述微纳光纤上均匀涂覆一层固化胶并盖上盖玻片，制备得到样品。在本实施例中，载玻片为氟化镁片，将步骤S401制备得到微纳光纤固定在洁净的氟化镁片上，在微纳光纤上均匀地涂覆一层紫外固化胶并盖上盖玻片，制备得到样品。

S403，将所述样品固定在位移平台上，并将所述样品调整至水平；

S404，利用激光功率衰减器将飞秒激光调节至预置功率值，通过上位机控制位移平台的水平移动速度，利用显微物镜将功率调整后的飞秒激光聚焦在所述微纳光纤上。在本步骤中，利用功率衰减器将飞秒激光的激光光束的功率值调节至合适的范围，通过电脑控制三维精密位移平台的水平移动速度，利用数值孔径大于0.8的显微物镜将飞秒激光聚焦在浸没在紫外固化胶内的微纳光纤上。

S405，利用聚焦后的飞秒激光，根据预设的扫描方式在所述样品上固化预先设置的布拉格光栅。在本步骤中，利用聚焦后的飞秒激光，采用逐线扫描的方式固化预先设置好的周期数、栅格长度、栅格间距等参数的布拉格光栅，在飞秒激光照射过程中，紫外固化胶被曝光的区域发生交联聚合反应形成固态化合物。

S406，使用清洗液冲洗固化后的样品，再用酒精冲洗样品残留的清洗液，制备得到固化在所述微纳光纤上的微纳光纤布拉格光栅。在本步骤中，取下固化完成后的样品上的盖玻片，先用异丙醇冲洗样品，未曝光的紫外固化胶不发生聚合被异丙醇溶解后冲洗掉，曝光的紫外固化胶发生交联聚合反应变成固态化合物不溶于异丙醇，再用酒精冲洗去除残留的异丙醇，得到固化在微纳光纤表面上的布拉格光栅。

下面通过具体的例子对本发明实施例进行进一步地解释：

采用光纤拉锥法制备出直径约为1.7微米的微纳光纤，将微纳光纤固定在载玻片上并使其处于自然绷直地状态，在微纳光纤上均匀的涂敷一层紫外固化胶并盖上盖玻片以制备样品，然后将样品固定在三维精密移动平台上，利用100X显微物镜聚将飞秒激光的光束聚焦在浸没在紫外固化胶内的微纳光纤上，通过上位机上的软件控制快门光阑的开关并驱动三维精密移动平台移动，使飞秒激光沿光纤径向逐线扫描固化光栅，固化后的布拉格光栅用异丙醇溶液冲洗1min，再用酒精冲洗残留的异丙醇，得到固化在微纳光纤表面的布拉格光栅。固化后的光纤布拉格光栅扫描电镜图如图5所示。

固化后的布拉格光栅与微纳光纤有良好的结合力并均匀稳定的附着在微纳光纤表面。图5所示的微纳光纤直径为1.7微米，光栅周期为1.07微米，周期数为500，固化后的光栅线宽为700纳米，光栅线长为4微米。图6为固化得到微纳光纤布拉格光栅处在五种不同折射率液环境内的光栅光谱，随着外界折射率值的增大，微纳光纤周围的倏逝场增强，布拉格峰波长呈现出明显的红移。图7显示了光栅布拉格峰波长随着折射率液变化的关系曲线，图7中的插图表明在高折射率区(1.42-1.45)两者表现出良好的线性关系，在折射率值为1.446时可以得到最大的折射率灵敏度值为207.14nm/RIU。

本发明实施例提出了利用飞秒激光双光子聚合技术制备微纳光纤布拉格光栅，和现有的技术相比，本发明实施例最突出的优势是在微纳光纤表面固化出布拉格光栅，固化的布拉格光栅对周围环境的折射率变化更加敏感，同时该结构不会对微纳光纤本身造成任何破坏，从而保护了微纳光纤的完整性。

在通过本发明实施例制备微纳光纤布拉格光栅时，需要注意以下关键点：

一、样品制备：对光纤，如石英光纤进行拉锥获得直径小于4μm的微纳光纤。将微纳光纤水平的固定在载玻片上并使其处于自然绷直地状态，在微纳光纤上均匀的涂敷一层紫外固化胶并盖上厚度为0.13mm-0.17mm的盖玻片制备得到样品，再将该样品固定在三维精密位移平台上。

二、微纳光纤布拉格光栅的光栅参数：在上位机的控制软件上设置布拉格光栅的栅格间距Λ为0.5μm至3μm，栅格周期数N为300至500，单个栅格长度l为3μm至8μm。

三、制备过程：通过调节三维位移平台辅助显微镜观察，使微纳光纤轴向水平，调节激光功率衰减器将激光能量调节到5mw-9mw(16mw/μm²-20mw/μm²)，近红外波段的飞秒激光光束通过数值孔径大于0.8的显微物镜聚焦在微纳光纤上。通过控制三维精密移动平台使飞秒激光的激光光斑距离微纳光纤的距离为d为1μm至3μm，固化过程中，飞秒激光的激光光斑位置固定不动，通过上位机上的软件控制快门光阑的开关并驱动三维精密移动平台移动，位移平台在径向以6μm/s—10μm/s的速度移动一个栅格长度后，完成第一个栅格的固化，接着三维精密移动平台带动微纳光纤返回至初始位置并右移一个周期的间距，开始下一个栅格的固化，如此循环直至完成上述设定的光栅周期数。

四、显影过程：取下样品上的盖玻片，用异丙醇冲洗样品30s～2min后再用酒精冲洗样品30s～2min，得到固化后的微纳光纤布拉格光栅。

五、折射率测试：将微纳光纤布拉格光栅浸没在不同的折射率液中，通过光谱仪监测谐振峰的漂移量，用于折射率传感。

本发明实施例提出的用飞秒激光双光子聚合技术固化出的微纳光纤布拉格光栅可用作一种灵敏度较高的折射率传感。

以上所述仅为本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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微纳光纤布拉格光栅的制备系统，其特征在于，所述制备系统包括激光产生单元、制备单元、位移平台和上位机，样品放置于所述位移平台上，所述样品为涂覆有一层固化胶的微纳光纤；

所述激光产生单元，用于产生预置功率值的飞秒激光，并将所述飞秒激光传输给所述制备单元；

所述制备单元，用于将所述飞秒激光聚焦在所述微纳光纤上；

所述上位机，用于控制所述位移平台进行移动，以使所述飞秒激光沿所述微纳光纤的径向扫描，在所述微纳光纤上固化预先设置的布拉格光栅；

所述激光产生单元包括飞秒激光器、扩束镜、激光功率衰减器和光路调整模块；

所述飞秒激光器，用于产生飞秒激光，并将所述飞秒激光入射至所述扩束镜；

所述扩束镜，用于对所述飞秒激光进行扩束，将扩束后的飞秒激光入射至所述激光功率衰减器；

所述激光功率衰减器，用于对入射的飞秒激光进行功率调节，将功率调节后的飞秒激光入射至所述光路调整模块；

所述光路调整模块，用于对入射的飞秒激光进行光路调整，使飞秒激光按照预置角度入射至所述制备单元；

所述激光产生单元还包括与所述上位机相连接的功率计和开关；

所述功率计，位于所述激光功率衰减器和所述光路调整模块之间，用于获取所述功率调节后的飞秒激光的功率值，并发送给所述上位机；

所述开关，用于控制射入所述制备单元的飞秒激光的照射时间。

2.如权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述光路调整模块包括两个反射镜。

3.如权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述制备单元包括双色镜和显微物镜；

所述双色镜，用于将入射的飞秒激光中的近红外波段的光束反射入所述显微物镜；

所述显微物镜，用于将所述近红外波段的光束聚焦在所述微纳光纤上。

4.如权利要求3所述的制备系统，其特征在于，所述制备系统还包括观察单元；

所述观察单元，用于观察所述飞秒激光进行扫描时，所述固化胶的固化现象。

5.如权利要求4所述的制备系统，其特征在于，所述观察单元包括滤波片和图像传感器CCD；

所述双色镜，用于将入射的飞秒激光中的可见光透射入所述滤波片；

所述可见光经所述滤波片进行滤波后进入所述图像传感器CCD成像。

6.一种通过权利要求1至5任一项所述的制备系统制备微纳光纤布拉格光栅的制备方法，其特征在于，包括：

采用光纤拉锥法制备出预置直径的微纳光纤；

将所述微纳光纤固定在载玻片上，在所述微纳光纤上均匀涂覆一层固化胶并盖上盖玻片，制备得到样品；

将所述样品固定在位移平台上，并将所述样品调整至水平；

利用激光功率衰减器将飞秒激光调节至预置功率值，通过上位机控制位移平台的水平移动速度，利用显微物镜将功率调整后的飞秒激光聚焦在所述微纳光纤上；

利用聚焦后的飞秒激光，根据预设的扫描方式在所述样品上固化预先设置的布拉格光栅；

使用清洗液冲洗固化后的样品，再用酒精冲洗样品残留的清洗液，制备得到固化在所述微纳光纤上的微纳光纤布拉格光栅。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述清洗液为异丙醇，所述使用清洗液冲洗固化后的样品，再用酒精冲洗样品残留的清洗液包括：

取下所述盖玻片，使用所述异丙醇冲洗所述固化后的样品30秒~2分钟后，再用酒精冲洗样品30秒~2分钟。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述载玻片为氟化镁片，所述布拉格光栅的栅格间距Λ为0.5微米至3微米，栅格周期数N为300至500，单个栅格长度l为3微米至8微米。