CN113866873B - 一种具备色散转折点的z形微纳光纤结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构及其制备方法；该制备方法包括以下步骤：a)取单模光纤，去掉光纤涂覆层并用酒精棉擦拭去掉涂覆层的部分；然后将光纤以一个倾角固定在移动平台上；b)在上述光纤的中间位置放置氢氧焰，并使氢氧焰的外焰与光纤接触；c)控制氢氧焰在水平方向扫描，预热1min～5min后，向相反的方向拉动光纤；待光纤的腰区直径达到所需要求时，关闭氢氧焰并停止拉动光纤，得到具备色散转折点的Z形微纳光纤结构。本发明提供了一种基于模式耦合的具备色散转折点的Z形微纳光纤结构和该微纳光纤结构的加工方法；本发明研究表明，弯曲锥度可以将基模HE11转换为高阶模式，当弯曲角度为1.61°时，HE11和HE21可以形成很强的干涉条纹。

Description

一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学生物传感和光纤通讯技术领域，更具体地说，是涉及一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构及其制备方法。
背景技术
过去十几年中，微米光纤传感器得到很快发展。当光纤尺寸达到微纳量级时，具有大的消逝场、强约束、可配置性、鲁棒性等特点。微纳光纤的大部分能量以倏逝波的形式在包层中传播，这就使得则微纳光纤传感器对外界物理量的变化更敏感，具备更高的灵敏度，在环境监测、生物传感等领域具有广泛应用。
近年来，基于微纳光纤中色散转折点的超高灵敏度特性引起了大家广泛的关注及研究。由于色散转折点显示出超高灵敏度特性，许多具备色散转折点的光纤结构被提出，如微纳光纤耦合器，双锥形单根光纤的马赫-曾德尔干涉仪，椭圆形微纳光纤萨格纳克干涉仪等。其主要原理基于光纤模式间干涉或基模偏振态的干涉。模式的群有效折射率或偏振态的群双折射差接近零，对应于色散转折点。理论计算表明，对进行折射率测量时，接近转折点处可以获得无限的灵敏度。色散转折点的超高灵敏度特性在生物检测、气体检测、温度检测等方面得到了广泛应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构及其制备方法，本发明通过熔融拉锥法制备在水环境下色散转折点位于1300nm附近的Z锥形微纳光纤。
本发明提供了一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构的制备方法，包括以下步骤：
a)取单模光纤，去掉光纤涂覆层并用酒精棉擦拭去掉涂覆层的部分；然后将光纤以一个倾角固定在移动平台上；
b)在上述光纤的中间位置放置氢氧焰，并使氢氧焰的外焰与光纤接触；
c)控制氢氧焰在水平方向扫描，预热1min～5min后，向相反的方向拉动光纤；待光纤的腰区直径达到所需要求时，关闭氢氧焰并停止拉动光纤，得到具备色散转折点的Z形微纳光纤结构。
优选的，步骤a)中所述固定在移动平台的方式具体为：
将光纤两端分别用纤维夹紧机构固定并形成所述倾角。
优选的，所述倾角为1.39°～1.85°。
优选的，步骤b)中所述氢氧焰由氢气发生器提供，点火至火焰稳定后，调节陶瓷头水平位置使其处于光纤的中间位置，并调节高度使得光纤刚好与氢氧焰的外焰接触。
优选的，步骤c)中所述控制氢氧焰在水平方向扫描采用数控电机控制器，控制火焰头的水平方向扫描速度与范围。
优选的，步骤c)中所述拉动光纤的过程中，光纤输入端接入白光光源，输出端连接光谱仪实时在线检测拉伸过程的输出光谱，以控制光纤的腰区直径。
优选的，步骤c)中所述光纤的腰区直径为1.7μm～2.6μm。
优选的，所述步骤c)还包括：
使用六自由度的位移平台将得到的具备色散转折点的Z形微纳光纤结构放置在聚甲基丙烯酸甲酯制成的样品池的微通道内，并通过热熔胶使其固定住。
本发明还提供了一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构，采用上述技术方案所述的制备方法制备而成。
优选的，由两端锥区和中部腰区构成，两端锥区形成轴向偏移；所述Z形微纳光纤结构的横向长度为15mm～30mm，轴向偏移量为400μm～600μm，腰区直径为1.7μm～2.6μm。
本发明提供了一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构及其制备方法；该制备方法包括以下步骤：a)取单模光纤，去掉光纤涂覆层并用酒精棉擦拭去掉涂覆层的部分；然后将光纤以一个倾角固定在移动平台上；b)在上述光纤的中间位置放置氢氧焰，并使氢氧焰的外焰与光纤接触；c)控制氢氧焰在水平方向扫描，预热1min～5min后，向相反的方向拉动光纤；待光纤的腰区直径达到所需要求时，关闭氢氧焰并停止拉动光纤，得到具备色散转折点的Z形微纳光纤结构。本发明提供了一种基于模式耦合的具备色散转折点的Z形微纳光纤结构和该微纳光纤结构的加工方法；本发明研究表明，弯曲锥度可以将基模HE11转换为高阶模式，当弯曲角度为1.61°时，HE11和HE21可以形成很强的干涉条纹；更重要的是，通过优化光纤的腰区直径，两种模式之间的有效群折射率相等，灵敏度得到很大提高；本发明通过熔融拉伸法制备在水环境下色散转折点位于1300nm附近的Z锥形微纳光纤，其直径为2.3μm，与数值仿真结果吻合。本发明为了验证这种结构的高灵敏度传感特性，进行了折射率实验，结果表明，当环境折射率为1.33300左右时，在色散转折点附近获得超高的折射率灵敏度，为1.46×105±0.09×105nm/RIU。
同时，本发明提供的制备方法工艺路线清晰、易操作，条件易控，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为Z锥形光纤示意图；
图2为仿真计算的Z锥形光纤弯曲角度和模式能量的关系；
图3(a)为当外界折射率为1.333时，在波长1000～1500nm处HE11模式和HE21模式的群有效折射率差G与光纤的腰区直径的关系，图3(b)为在波长1000～1500nm处，不同光纤的腰区直径下灵敏度与色散拐点位置的关系示意图；
图4为Z锥形光纤的微纳加工方法示意图；
图5为拉制的转折点1300nm的Z锥形光纤输出透射光谱曲线；
图6为具备色散转折点的Z锥形微纳光纤的光学显微镜示意图；
图7(a)为外界折射率为1.3330至1.3332时的输出透射光谱响应，图7(b)为外界折射率对应的干涉倾角的波长偏移量。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构的制备方法，包括以下步骤：
a)取单模光纤，去掉光纤涂覆层并用酒精棉擦拭去掉涂覆层的部分；然后将光纤以一个倾角固定在移动平台上；
b)在上述光纤的中间位置放置氢氧焰，并使氢氧焰的外焰与光纤接触；
c)控制氢氧焰在水平方向扫描，预热1min～5min后，向相反的方向拉动光纤；待光纤的腰区直径达到所需要求时，关闭氢氧焰并停止拉动光纤，得到具备色散转折点的Z形微纳光纤结构。
本发明首先取单模光纤，去掉光纤涂覆层并用酒精棉擦拭去掉涂覆层的部分；然后将光纤以一个倾角固定在移动平台上。
本发明对所述单模光纤的种类和来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可；在本发明优选的实施例中，所述单模光纤为SMF-28e。
在本发明中，所述去掉光纤涂覆层的方式优选采用光纤剥皮钳；本发明对此没有特殊限制。
在本发明中，用酒精棉擦拭去掉涂覆层的部分优选采用反复擦拭，目的是避免碎屑燃烧在光纤表面造成污染。
在本发明中，所述固定在移动平台的方式优选具体为：
将光纤两端分别用纤维夹紧机构固定并形成所述倾角。
在本发明中，所述纤维夹紧机构优选为本领域技术人员熟知的夹具即可。
在本发明中，所述倾角优选为1.39°～1.85°，更优选为1.61°；在该倾角下进一步获得的Z锥形光纤的锥部弯曲角度即为上述倾角的角度。
之后，本发明在上述光纤的中间位置放置氢氧焰，并使氢氧焰的外焰与光纤接触。
在本发明中，所述氢氧焰优选由氢气发生器提供，点火至火焰稳定后，调节陶瓷头水平位置使其处于光纤的中间位置，并调节高度使得光纤刚好与氢氧焰的外焰接触。
最后，本发明控制氢氧焰在水平方向扫描，预热1min～5min后，向相反的方向拉动光纤；待光纤的腰区直径达到所需要求时，关闭氢氧焰并停止拉动光纤，得到具备色散转折点的Z形微纳光纤结构。
在本发明中，所述控制氢氧焰在水平方向扫描优选采用数控电机控制器，控制火焰头的水平方向扫描速度与范围。
在本发明中，所述预热的时间优选为3min。
在本发明中，所述向相反的方向拉动光纤优选采用电动机提供动力，本发明对此没有特殊限制。
在本发明中，所述拉动光纤的过程中，优选在光纤输入端接入白光光源，输出端连接光谱仪实时在线检测拉伸过程的输出光谱，以控制光纤的腰区直径。在本发明中，所述光纤的腰区直径是指腰区在直线段上的距离，可参见图1。
在本发明中，待光纤的腰区直径达到所需要求时，同时关闭氢气发生器和电动机，然后关闭步进电机控制器，移出陶瓷火焰头，得到具备色散转折点的Z形微纳光纤结构。
在本发明中，所述光纤的腰区直径优选为1.7μm～2.6μm，更优选为2.3μm。
在本发明中，所述步骤c)优选还包括：
使用六自由度的位移平台将得到的具备色散转折点的Z形微纳光纤结构放置在聚甲基丙烯酸甲酯制成的样品池的微通道内，并通过热熔胶使其固定住。
本发明提供的制备方法工艺路线清晰、易操作，条件易控，具有广阔的应用前景。
本发明还提供了一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构，采用上述技术方案所述的制备方法制备而成。
在本发明中，所述具备色散转折点的Z形微纳光纤结构由两端锥区和中部腰区构成，两端锥区形成轴向偏移；所述Z形微纳光纤结构的横向长度为15mm～30mm，优选为20mm～25mm；轴向偏移量优选为400μm～600μm，更优选为500μm～530μm；腰区直径优选为1.7μm～2.6μm，更优选为2.2μm～2.4μm。
本发明提供了一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构及其制备方法；该制备方法包括以下步骤：a)取单模光纤，去掉光纤涂覆层并用酒精棉擦拭去掉涂覆层的部分；然后将光纤以一个倾角固定在移动平台上；b)在上述光纤的中间位置放置氢氧焰，并使氢氧焰的外焰与光纤接触；c)控制氢氧焰在水平方向扫描，预热1min～5min后，向相反的方向拉动光纤；待光纤的腰区直径达到所需要求时，关闭氢氧焰并停止拉动光纤，得到具备色散转折点的Z形微纳光纤结构。本发明提供了一种基于模式耦合的具备色散转折点的Z形微纳光纤结构和该微纳光纤结构的加工方法；本发明研究表明，弯曲锥度可以将基模HE11转换为高阶模式，当弯曲角度为1.61°时，HE11和HE21可以形成很强的干涉条纹；更重要的是，通过优化光纤的腰区直径，两种模式之间的有效群折射率相等，灵敏度得到很大提高；本发明通过熔融拉伸法制备在水环境下色散转折点位于1300nm附近的Z锥形微纳光纤，其直径为2.3μm，与数值仿真结果吻合。本发明为了验证这种结构的高灵敏度传感特性，进行了折射率实验，结果表明，当环境折射率为1.33300左右时，在色散转折点附近获得超高的折射率灵敏度，为1.46×105±0.09×105nm/RIU。
同时，本发明提供的制备方法工艺路线清晰、易操作，条件易控，具有广阔的应用前景。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例
(1)选取合适长度的一根单模光纤(SMF-28e)，分别用光纤剥皮钳去掉光纤涂覆层，长约3cm；然后用酒精棉反复擦拭去掉涂覆层的部分，以避免碎屑燃烧在光纤表面造成污染；
(2)将光纤以一个倾角放置在移动平台上，并通过夹具固定；
(3)打开氢气发生器，点火至火焰稳定；调节陶瓷头水平位置使其处于光纤的中间位置，并调节高度使得光纤刚好与氢氧焰的外焰接触；
(4)打开数控电机控制器(JJ01)，控制火焰头的水平方向扫描速度与范围，预热3分钟；
(5)打开两个电动机，使其相反的方向拉动光纤；在拉制过程光纤输入端接入白光光源，输出端连接光谱仪实时在线检测拉伸过程的输出光谱，以控制OMC的腰区直径；
(6)待光纤的腰区直径达到所需要求时，同时关闭氢气发生器和电动机，然后关闭步进电机控制器，移出陶瓷火焰头，得到具备色散转折点的Z形微纳光纤结构；
(7)使用六自由度的位移平台将微纳光纤耦合器(具备色散转折点的Z形微纳光纤结构)放置在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的样品池的微通道内，并通过热熔胶使其固定住。
本发明上述实施例通过熔融拉锥法制备得到Z锥形光纤，该Z锥形光纤的微纳加工方法示意图参见图4所示；制备得到的Z锥形光纤示意图参见图1所示，光学显微镜示意图参见图6所示；由图6可知，该Z锥形光纤的横向长度为21.9mm，轴向偏移量为516μm，腰区直径为2.3μm。
本发明提出一种具备色散转折点的Z锥形微纳光纤结构，通过热熔融拉锥标准单模光纤得到。提出的Z锥形微纳光纤主要由两端锥腰和一段微纳光纤腰区构成，如图1所示。该发明的主要工作原理是：当芯层基模进入下行锥区(Down-taper)，由于绝热条件的破坏基模可以激励起HE11和HE21模式，这两种模式经过腰区又重新耦合进上行锥(Up-taper)，模式传输过程中形成一个MZI(Mach-Zehnder)干涉仪结构，由于两种不同模式传输过程中的由于不同的有效折射率引起光纤传输相位的改变因此形成干涉谱线。不同的模式占用不同的消逝场产生不同的光与物质相互作用。因此，液体折射率的改变引起两种模式之间光程的变化，通过波长移动获得液体的环境变化。
与直锥形光纤相比，Z型锥形光纤多了一个轴向偏移量。轴向偏移量越大，弯曲效果越明显，当轴向偏移量达到一定值，光纤的弯曲效应就能实现芯模和包层模之间的耦合。该传感器的原理就是基于双光束干涉，设I是经过两次耦合后回到纤芯的光强，I1和I2是HE11和HE21两个模式产生的光强，ΔΦ中是纤芯模式与包层模式在锥腰传播后产生的相位差。输出光谱I的计算公式为：
Figure BDA0003301326360000071
模式相位差为：
Figure BDA0003301326360000072
Z锥光纤在第一个耦合处激发出的高阶包层模对于外界环境参量的变化敏感，当外界折射率发生变化时，相应的相位差发生变化，从而导致输出谱发生变化。
HE11模式和HE21模式之间的有效RI差为：
Figure BDA0003301326360000081
β1、β2分别为HE11模式与HE21模式的传播常数。
此时灵敏度表示为：
Figure BDA0003301326360000082
其中
Figure BDA0003301326360000083
表示为HE11模式和HE21模式之间的群有效RI差。当满足G＝0的条件时，即HE11和HE21两个模式的群有效折射率相等，此时出现色散转折点，灵敏度理论没有极限。
为了获得Z锥形光纤的最大灵敏度，通过仿真计算了光纤的参数影响机理。锥部弯曲角度和光纤的腰区直径是Z锥形光纤两个最重要的参数，弯曲角度在高阶模式的激发过程中扮演了非常重要的角色，合适的弯曲角度对于获得具有明显干涉图像很关键。光纤的腰区直径决定了色散转折点的位置。
弯曲角度的影响如图2所示，我们采用BPM(Beam Propagation Method)算法进行仿真计算，弯曲角度范围为0～2.26°，仿真结果发现，弯曲角度特别小时，HE21和HE12两种模式的激励效率小于0.1，此时基模HE11占主导地位。当弯曲角度增加时，HE11模式稳定减小，HE21连续增加，但是HE12的激励效率一直保持在0.1以下。当弯曲角度为1.61°时，HE11和HE21模式的耦合效率均为0.41，此时干涉最明显。实验中如果我们把6dB作为产生明显干涉的临界，弯曲角度的最佳范围为1.39°～1.85°。
光纤之间是影响色散转折点和灵敏度的一个主要因素，通过数值仿真分析得到HE11和HE21两种模式的有效群折射率的差值与光纤的腰区直径的关系。外界折射率为1.333，并且计算了腰区直径1.7～2.6μm的灵敏度曲线，工作波段为1000～1500nm，参见图3所示。从图中可以看出，当光纤的腰区直径小于色散转折点直径时，灵敏度趋于-∞，当光纤的腰区直径大于色散转折点直径时，灵敏度趋于+∞，因此实际应用过程中，选择的光纤直径在色散转折点附近。外界折射率在1.333时，Z锥形微纳光纤的腰区直径约为2.25μm时，色散转折点位于1300nm附近；参见图5所示。
折射率实验：
为验证具备色散转折点的Z锥形光纤的高灵敏度传感特性，本发明进行以下折射率实验：
依次注入不同折射率(1.3330～1.3332)的甘油-去离子水溶液；在Z锥形光纤的输入端口连接宽带光源(BBS，YSL Photonics，SC-5)，输出端口的输出光谱被收集到光谱分析仪(OSA，横河电机AQ6370D)；参见图7所示。在接近DTP波峰处的灵敏度急剧增加，获得超高的折射率灵敏度，为1.46×105±0.09×105nm/RIU。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构的制备方法，包括以下步骤：
a)取单模光纤，去掉光纤涂覆层并用酒精棉擦拭去掉涂覆层的部分；然后将光纤以一个倾角固定在移动平台上；所述固定在移动平台的方式具体为：
将光纤两端分别用纤维夹紧机构固定并形成所述倾角；所述倾角为1.39°～1.85°；
b)在上述光纤的中间位置放置氢氧焰，并使氢氧焰的外焰与光纤接触；
c)控制氢氧焰在水平方向扫描，预热1min～5min后，向相反的方向拉动光纤；待光纤的腰区直径达到所需要求时，关闭氢氧焰并停止拉动光纤，得到具备色散转折点的Z形微纳光纤结构；所述光纤的腰区直径为1.7μm～2.6μm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述氢氧焰由氢气发生器提供，点火至火焰稳定后，调节陶瓷头水平位置使其处于光纤的中间位置，并调节高度使得光纤刚好与氢氧焰的外焰接触。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中所述控制氢氧焰在水平方向扫描采用数控电机控制器，控制火焰头的水平方向扫描速度与范围。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中所述拉动光纤的过程中，光纤输入端接入白光光源，输出端连接光谱仪实时在线检测拉伸过程的输出光谱，以控制光纤的腰区直径。
5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)还包括：
使用六自由度的位移平台将得到的具备色散转折点的Z形微纳光纤结构放置在聚甲基丙烯酸甲酯制成的样品池的微通道内，并通过热熔胶使其固定住。
6.一种具备色散转折点的Z形微纳光纤结构，其特征在于，采用权利要求1～4任一项所述的制备方法制备而成。
7.根据权利要求6所述的具备色散转折点的Z形微纳光纤结构，其特征在于，由两端锥区和中部腰区构成，两端锥区形成轴向偏移；所述Z形微纳光纤结构的横向长度为15mm～30mm，轴向偏移量为400μm～600μm，腰区直径为1.7μm～2.6μm。
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Denomination of invention: A Z-shaped micro nano fiber structure with dispersion turning point and its preparation method

Effective date of registration: 20230620

Granted publication date: 20220429

Pledgee: Bank of China Limited Dongshan Branch of Guangzhou

Pledgor: Guangdong Changguang Zhongke Biotechnology Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980044836

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