CN114136348A - 一种纳米孔光纤布拉格光栅传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感器技术领域，具体为一种纳米孔光纤布拉格光栅传感器及其制备方法。本发明包括：纳米孔光纤，纳米孔位于纤芯中心并贯穿整个布拉格光栅栅区；布拉格光栅，通过激光加工技术写制。本发明提出的纳米孔光纤布拉格光栅传感器，可以在不破坏光纤结构的情况下在纳米孔中通入微观粒子，这是传统实心光纤所不能实现的；无需对光纤进行预处理，简化了制备工艺，维持了光纤的高强度和低损耗；贯穿纤芯的光纤栅区仅对纳米孔中微流介质的变化敏感，对光纤外部环境不敏感，交叉干扰低。本发明纳米孔光纤布拉格光栅传感器具有小尺寸、工艺简单、抗干扰能力强的特点，其可应用于多领域。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及光纤布拉格光栅传感器及其制备方法。
背景技术
光纤由于其体积小、损耗低、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，已成为传感领域应用最广泛、功能最强大的器件之一。光纤布拉格光栅作为一种典型的光纤器件，其布拉格谐振对折射率、温湿度、应变等外界环境的变化比较敏感，且超窄的栅区和超高的品质因数使其十分适用于微纳尺度领域的传感应用。
现有的光纤布拉格光栅传感器，通常是以实心光纤为基底制备而成，制造方法主要有三大类：等材、减材、增材制造。
等材制造通常是利用激光对光纤进行周期性的折射率调制，常用方法有相位掩模法、干涉法、飞秒激光直写法等。此类方法一般仅调制曝光区的折射率，不会对光纤造成结构上的损伤，维持了光纤的高强度和传输的低损耗。但由于一般是在未进行预处理的实心光纤上进行等材制造，器件的倏逝场较弱，其传感性能极大的取决于光纤材料的热光系数、热膨胀系数等物理性质，通常所制备的光纤布拉格光栅传感器的灵敏度较低，且光纤固有的实心限制了其在气体、液体等微流生物领域的应用。
减材制造通常是对光纤结构进行局部去除以实现周期性负折射率调制的镂空光纤布拉格光栅，常用方法有聚焦离子束铣削、飞秒激光辅助氢氟酸湿法刻蚀等。此类方法会将曝光区去除，形成固气物态相间的周期性镂空结构。此种带有空心栅区的器件，可流经气体和液体，可极大的拓展光纤光栅传感器的应用领域。但由于对光纤造成了结构上的损伤，使得光纤的强度下降，且空气孔的栅区造成了较高的传输损耗。
增材制造通常是在光纤表面或内部打印周期性结构的聚合物光栅，常用方法有飞秒激光双光子聚合等。此类方法需要对光纤进行拉锥、挖槽等预处理，例如在拉锥的微纳光纤表面、带沟槽的光纤内部打印聚合物布拉格光栅等。微纳光纤的强倏逝场、裸露空气中的光栅和聚合物优良的温湿性能使得光纤布拉格光栅的灵敏度极大提升，但经过预处理的光纤的强度弱，传输损耗大，且聚合物性质的光栅稳定性较差，容易受到环境中其他因素的干扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种小尺寸、工艺简单、抗干扰能力强的纳米孔光纤光栅传感器及其制备方法。
本发明提供的纳米孔光纤布拉格光栅传感器，具体包括：纳米孔光纤，布拉格光栅；其中：
所述纳米孔光纤，包括纤芯、贯穿纤芯的纳米孔以及纤芯外的包层；
所述布拉格光栅，通过激光加工技术制造；
所述光纤布拉格光栅为周期性结构，包括曝光区和非曝光区；
所述周期性布拉格光栅结构沿光纤轴向分布，曝光区呈点状或线条状。
进一步的，所述光纤布拉格光栅的曝光区位于纤芯，或贯穿整个纤芯至包层，或贯穿整个纤芯和包层。
进一步的，所述纳米孔位于纤芯中心，并贯穿整个布拉格光栅栅区。
进一步的，所述纳米孔的直径为50~950nm，纤芯的直径为2~20μm。
本发明还提供所述纳米孔光纤布拉格光栅传感器的制备方法，分为：飞秒激光直写法和紫外光相位掩模板曝光法。
所述飞秒激光直写法，具体步骤为：
步骤1：根据纳米孔光纤的传输光波段，选择位于传输波段中心的布拉格谐振峰位置，使传感器具备较宽的可探测范围，并根据光纤布拉格光栅相位匹配公式
，确定所需光纤布拉格光栅的周期；
步骤2：获取纳米孔光纤，利用剥纤钳去除待写制区域的涂覆层，并平放固定于载玻片上；
步骤3：将载玻片吸附于三维平台，滴注折射率匹配油浸没待写制区域，利用物镜聚焦飞秒激光进行光栅的写制。
所述紫外光相位掩模板曝光法，具体步骤为：
步骤1：获取纳米孔光纤，将光纤置于常温高压的载氢室中以进行一段时间地载氢处理；
步骤2：载氢完毕后，利用剥纤钳去除待写制区域的涂覆层，并固定于光纤夹具，使待写制区域位于紫外光曝光区域，选择合适的相位掩模板使紫外光周期性地曝光于光纤，以进行光栅的写制；
步骤3：将写制好光栅的光纤置于高温炉中以进行一段时间地退火处理。
本发明提出的纳米孔光纤布拉格光栅传感器，可以在不破坏光纤结构的情况下在纳米孔中通入微观粒子，这是传统实心光纤所不能实现的；无需对光纤进行预处理，简化了制备工艺，维持了光纤的高强度和低损耗；贯穿纤芯的光纤栅区仅对纳米孔中微流介质的变化敏感，对光纤外部环境不敏感，交叉干扰低。本发明提出的纳米孔光纤布拉格光栅传感器具有小尺寸、工艺简单、抗干扰能力强的特点，其可应用于多领域。
附图说明
图1为本发明实施例的纳米孔光纤布拉格光栅传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例的纳米孔光纤横截面的光学显微镜图和扫描电子显微镜图。
图3为本发明实施例中利用飞秒激光直写技术写制的纳米孔光纤布拉格光栅传感器的光学显微镜图。
图4为本发明实施例中利用飞秒激光直写技术写制的纳米孔光纤布拉格光栅传感器的透射光谱。
图5为本发明实施例中利用紫外光相位掩模板曝光技术写制的纳米孔光纤布拉格光栅传感器的透射光谱。
图中标号：11为包层，12为纤芯，13为纳米孔，20为布拉格光栅。
具体实施方式
为了更清晰地表述本发明的目的和优势，以下结合附图，对本发明作进一步的详细阐述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明实施例的纳米孔光纤布拉格光栅传感器的结构示意图。
该纳米孔光纤布拉格光栅传感器，包括纳米孔光纤和布拉格光栅结构。其中，纳米孔光纤包括纤芯12、用于包覆纤芯12的包层11和位于纤芯11内部的纳米孔13。光纤布拉格光栅20结构包括曝光区和非曝光区，并沿光纤轴向周期性分布，单个相邻的曝光区和非曝光区形成一个光栅周期单元，多个光栅周期单元串联形成光栅栅区。曝光区可为点状或线状，可位于纤芯，或贯穿整个纤芯至包层，或贯穿整个纤芯和包层。
图2是本发明实施例的纳米孔光纤横截面的光学显微镜图和扫描电子显微镜图。纳米孔位于纤芯中心，尺寸为纳米级。
图3是本发明实施例中利用飞秒激光直写技术写制的纳米孔光纤布拉格光栅传感器的光学显微镜图。具体的制备步骤包括：
步骤1：根据纳米孔光纤的传输光波段，选择位于传输波段中心的布拉格谐振峰位置，使传感器具备较宽的可探测范围，并根据光纤布拉格光栅相位匹配公式
，确定所需光纤布拉格光栅的周期。
该步骤中，光纤布拉格光栅的相位匹配公式为本领域的公知常识，表示为
，式中m是布拉格光栅的阶数，λB是第m阶布拉格谐振的中心波长，neff为纤芯的有效折射率，Λ为布拉格光栅的光栅周期。根据相位匹配公式，在确定合适的布拉格谐振波长的位置和布拉格谐振的阶数后，根据纤芯的有效折射率，便可以计算出所需写制布拉格光栅的周期。
步骤2：获取纳米孔光纤，利用剥纤钳去除待写制区域的涂覆层，并平放固定于载玻片上。
该步骤中，由于飞秒激光直写光栅技术中激光光斑很小，仅周期性调制纤芯中心平面的折射率，对样品放置的平整度要求较高，故需要用胶布将光纤绷直并粘贴在载玻片上。
步骤3：将载玻片吸附于三维平台，滴注折射率匹配油浸没待写制区域，利用物镜聚焦飞秒激光进行光栅的写制。
该步骤中，利用真空吸附将载玻片固定于空气轴承平台，滴注折射率匹配油以浸没待写制光栅区域，并通过CCD成像观察预写制光栅区域首尾的纤芯中心聚焦平面来计算平台倾斜角度，并通过软件修正光栅扫描轨迹来进行调平，然后利用油浸物镜聚焦飞秒激光，配合三维精密轴承平台沿预设计的扫描轨迹来写制光栅。在实际操作过程中，可通过软件对布拉格光栅的方向、宽度、周期、周期数等参数进行设定，并可通过调整飞秒激光功率和平台位移速度等参数来调整曝光区的折射率调制深度，可进而调整布拉格光栅的反射率、半高全宽等特性。
图4是本发明实施例中利用飞秒激光直写技术写制的纳米孔光纤布拉格光栅传感器的透射光谱。在802nm波长附近，存在2阶布拉格谐振，设置的布拉格光栅的周期为550nm，与布拉格光栅的相位匹配公式相符。
图5为本发明实施例中利用紫外光相位掩模板曝光技术写制的纳米孔光纤布拉格光栅传感器的透射光谱。具体的制备步骤包括：
步骤1：获取纳米孔光纤，将光纤置于常温高压的载氢室中以进行一段时间地载氢处理。
该步骤中，将整段光纤置于常温110-130atm（优选120 atm）高压的载氢室中进行为期一周的载氢，以增强光纤的光敏性。
步骤2：载氢完毕后，利用剥纤钳去除待写制区域的涂覆层，并固定于光纤夹具，使待写制区域位于紫外光曝光区域，选择合适的相位掩模板使紫外光周期性地曝光于光纤，以进行光栅的写制。
该步骤中，基于纳米孔光纤的传输光波段以及纤芯的折射率，根据光纤布拉格光栅的相位匹配公式选择合适周期的相位掩模板，并将掩模板置于物镜聚焦的光斑光路中，形成周期性的光强分布，直接曝光于预写制区域，并通过控制光阑调节光斑功率和控制曝光时间来调整布拉格光栅的反射率、半高全宽等特性。
步骤3：将写制好光栅的光纤置于高温炉中以进行一段时间地退火处理。
该步骤中，将写制好光栅的光纤置于温度为110-130℃（优选120℃）的退火炉中进行10-15小时（优选12小时）的退火处理，以消除纤芯缺陷中的不稳定缺陷和残留的氢。
本发明提出的纳米孔光纤布拉格光栅传感器，可以在不破坏光纤结构的情况下在纳米孔中通入微观粒子，这是传统实心光纤所不能实现的；无需对光纤进行预处理，简化了制备工艺，维持了光纤的高强度和低损耗；贯穿纤芯的光纤栅区仅对纳米孔中微流介质的变化敏感，对光纤外部环境不敏感，交叉干扰低。本发明提出的纳米孔光纤布拉格光栅传感器具有小尺寸、工艺简单、抗干扰强的特点，其可应用于多领域。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (5)
1.一种纳米孔光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，具体包括：纳米孔光纤，布拉格光栅；其中：
所述纳米孔光纤，包括纤芯、贯穿纤芯的纳米孔以及纤芯外的包层；
所述布拉格光栅，通过激光加工技术制造；
所述光纤布拉格光栅为周期性结构，包括曝光区和非曝光区；
所述周期性布拉格光栅结构沿光纤轴向分布，曝光区呈点状或线条状。
2.根据权利要求1所述的纳米孔光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅的曝光区位于纤芯，或贯穿整个纤芯至包层，或贯穿整个纤芯和包层。
3.根据权利要求2所述的纳米孔光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，所述纳米孔位于纤芯中心，并贯穿整个布拉格光栅栅区。
4.根据权利要求3所述的纳米孔光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，所述纳米孔的直径为50~950nm，纤芯的直径为2~20μm。
5.如权利要求1-3之一所述的纳米孔光纤布拉格光栅传感器的制备方法，其特征在于，分为：飞秒激光直写法和紫外光相位掩模板曝光法；
所述飞秒激光直写法，具体步骤为：
步骤1：根据纳米孔光纤的传输光波段，选择合适的布拉格谐振峰位置，并根据光纤布拉格光栅相位匹配公式，确定所需光纤布拉格光栅的周期；
步骤2：获取纳米孔光纤，利用剥纤钳去除待写制区域的涂覆层，并平放固定于载玻片上；
步骤3：将载玻片吸附于三维平台，滴注折射率匹配油浸没待写制区域，利用物镜聚焦飞秒激光进行光栅的写制；
所述紫外光相位掩模板曝光法，具体步骤为：
步骤1：获取纳米孔光纤，进行一段时间的常温高压载氢处理；
步骤2：载氢完毕后，利用剥纤钳去除待写制区域的涂覆层，并固定于光纤夹具，使待写制区域位于紫外光曝光区域；
步骤3：对写制好光栅的光纤进行退火处理。
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