CN114815039A - 一种光纤光流体通道的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤光流体通道的制作方法，步骤为：步骤1、在微结构光纤一端利用基于聚苯乙烯微球和石蜡油的选择性填充方法制作流体通道一端端口；步骤2、在微结构光纤一端通气的情况下，利用紫外固化胶对光纤另一端除对应流体通道的端口进行封堵处理，制作流体通道的另一端端口。本发明在用聚苯乙烯微球和石蜡油结合处理光纤一端的基础上，利用石蜡油将光纤与注射器针头相连，向光纤内缓慢注入空气的同时将光纤另一端浸没到粘度较低的紫外固化胶。之后，用紫外灯对该端进行照射，可实现该端与另一端同样位置的气孔开合而其余气孔封闭，从而完成光纤内流体通道的制作。

Description

一种光纤光流体通道的制作方法

技术领域

本发明属于光流控微腔激光器生产技术领域，特别涉及一种光纤光流体通道的制作方法。

背景技术

光流控微腔激光器是一种将光流控技术与微谐振腔相结合的新兴的小型化激光器，它具有结构紧凑、易于集成、能量消耗低等优点，常被用于芯片实验室、光流控传感器、集成光学系统等领域。在此基础上，研究人员将生物荧光材料与光流控微腔激光器相结合，提出了光流控生物激光器，并在DNA、多肽、细胞等生物材料的分析方面开发出了一系列应用，丰富了生化物检测的手段。随着微结构光纤拉制技术的成熟，内嵌于微结构光纤内的结构多样的石英壁结构可以用作高品质微腔来搭建光流控微腔激光器，和有结构脆弱、品质因数较低、需外加流体通道等缺陷的毛细管微腔、微纳光纤结型微腔等常见环形微腔不同，内嵌于微结构光纤的微腔具有品质因数高、结构牢固、多个微腔与流体通道集成的特点，因此成为构建光流控微腔激光器的优良平台。由于微腔的一些特性，如品质因数、形状、表面粗糙度等会影响激光器的阈值特性，因此也可以通过激光器的特性来评价光纤质量，可用在基于空芯微结构光纤的光纤陀螺的研制过程中的光纤筛选。

微结构光纤是搭建光流控微腔激光器的优良平台，但是，其多孔结构也为流体通道的制作带来了一定的困难。在用微结构光纤搭建光流控微腔激光器时，如何使流体从特定的孔流入光纤，如何保证废液流出光纤后不再进入光纤其他孔而影响激光器工作，是需要重点考虑的问题。因此，迫切需要一套便捷、可靠的光纤光流体通道的制作方法。

流体通道的制作主要是流体入口及出口的制作，也就是只让微结构光纤中的一个或者几个特定的空气孔暴露在空气中，而其他的空气孔被封堵住，即选择性填充技术。封堵时应将光纤两端面的除流体通道出入口外的所有空气孔封堵，避免流体流出通道后进入其余空气孔，影响激光器性能，常见的选择性填充方法包含以下几种：

1、中空毛细管辅助法：该方法首先要选择内径与拟填充区域大小相匹配的毛细管，然后将毛细管与光纤熔接，液体便可通过毛细管进入光纤。这种方法可以对纤芯或包层一定区域内的孔进行填充，但无法完成指定空气孔的填充。

2、流速差异法：即利用流体在不同大小空气孔内流速不同的特点，用紫外固化胶或熔融石蜡将不同大小的空气孔封堵不同长度，然后切割光纤使一系列大小一致的空气孔暴露在空气中，但仍不能实现特定孔的填充。

3、熔接机放电坍塌空气孔法：这种方法需要将光纤放在熔接机中进行放电，通过控制放电强度与放电时间，可以使包层空气孔塌缩闭合，而只有纤芯较大的空气孔张开，这种方法需要严密控制熔接机参数，但只能用于特定光纤纤芯空气孔的填充。

4、微纳加工法：利用飞秒激光开孔等精密微加工技术对光纤进行预处理并实现特定空气孔的填充，这种方法可以实现特定孔的填充，但是缺点在于技术过于复杂，且需要极其精密的控制手段。

此外，还有一种基于聚苯乙烯微球和石蜡油的选择性填充方法，该方法首先将聚苯乙烯微球通过微操控法移到特定位置的光纤空气孔上方，高温熔化聚苯乙烯微球封堵住该特定空气孔，然后通过毛细作用将石蜡油吸入到其余开合的气孔中，并且吸入长度大于融化小球的封堵长度，最后保留蜡油浸没的一段，可在光纤一端实现特定位置气孔开合而其余气孔封闭的效果。尽管该方法相对于以上4种方法而言操作简易灵活、设备简单。但是，在实际操作中发现，利用该方法在一端实现特定位置气孔开合而其余气孔封闭后，无法利用该方法在光纤另一端实现同样的效果。因此，只利用该方法无法完成流体通道的制作。其原因在于，石蜡油的粘度较高，光纤一端被封堵后毛细效应将被削弱，无法将石蜡油吸入光纤中的小孔内。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种操作简单、易于实现、制作成本低的光纤光流体通道的制作方法。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种光纤光流体通道的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在微结构光纤一端利用基于聚苯乙烯微球和石蜡油的选择性填充方法制作流体通道一端端口；

步骤2、在微结构光纤一端通气的情况下，利用紫外固化胶对光纤另一端除对应流体通道的端口进行封堵处理，制作流体通道的另一端端口。

进一步的：步骤1包括：

1.1选取微结构光纤，对光纤的两端进行预处理，并将光纤竖直地置于显微镜下备用；

1.2、利用拉锥毛细管探针将洒在显微镜载物台上的聚苯乙烯微球吸起，移动至微结构光上端端面上，并准确放置在选定的流体通道端口上；

1.3、通过电烙铁对聚苯乙烯微球进行加热，待微球熔化部分流进空气孔后移开烙铁头；

1.3、在熔化的聚苯乙烯液体冷却后，将处理好的光纤一端浸没在加热融化的石蜡油中，在毛细效应作用下，石蜡油被吸入到其余未堵住的空气孔中，吸入的石蜡油的液柱长度需要大于进入到空气孔中的聚苯乙烯柱的长度；

1.4、待石蜡油凝固后将该端切除一段，切除的长度需要小于吸入的石蜡油的柱长，同时需要大于聚乙烯柱的长度，实现选定的流体通道一端口露出，而其余微孔被石蜡封堵。

进一步的：步骤2包括：

2.1、将步骤1处理好的光纤一端插入到注射器针头内，将石蜡油滴到针尖处以达到密封效果，使光纤与注射器针头密封连接；

2.2、利用注射器向流体通道中缓慢注入空气的同时，将光纤待封堵一端深入到粘度较低的紫外固化胶中，在毛细效应作用下，胶液吸入到待封堵端的待封堵空气孔内；

2.3、将光纤从紫外固化胶中取出，擦除光纤表面的多余胶体后将光纤从针头中取出；

2.4、利用紫外光照射光纤固化光纤孔内胶体，再将该端光纤切除一小段，实现除流体通道端口外，其他空气孔均已被凝固的紫外固化胶堵。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明在用聚苯乙烯微球和石蜡油结合处理光纤一端的基础上，利用石蜡油将光纤与注射器针头相连，向光纤内缓慢注入空气的同时将光纤另一端浸没到粘度较低的紫外固化胶。之后，用紫外灯对该端进行照射，可实现该端与另一端同样位置的气孔开合而其余气孔封闭，从而完成光纤内流体通道的制作。

2、本发明制作方法在采用常规的操作设备及常规的操作手段的情况下，可实现指定空气孔的填充，相比于现有的工艺方法，整个过程简单、易于实现、且制作成本较低。

附图说明

图1是本发明用毛细管探针吸附聚苯乙烯微球的示意图；

图2是本发明用毛细管探针将聚苯乙烯微球吸起的示意图；

图3是本发明用毛细管探针将聚苯乙烯微球移动至选定的流体通道端口位置的示意图；

图4是本发明毛细管探针与聚苯乙烯微球脱离后的示意图；

图5是本发明用电烙铁熔化聚苯乙烯微球的示意图；

图6是本发明在聚苯乙烯微球熔化后的示意图；

图7是本发明光纤一端处理后的示意图；

图8是本发明将光纤与注射针头封连后伸入紫外固化胶作的示意图；

图9是本发明利用紫外光照射光纤固化光纤孔内胶体的示意图；

图10是本发明光纤另一端处理后的示意图。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。

一种光纤光流体通道的制作方法，请参见图1-10，包括如下步骤：

步骤1、使用基于聚苯乙烯微球和石蜡油的选择性填充法对光纤的一端进行处理。首先，取一段长度适当的微结构光纤，将其两端除去涂覆层并将端面切平后，竖直地置于显微镜下备用。同时，将聚苯乙烯微球1洒在载玻片上一并置于显微镜载物台上。之后，利用拉锥毛细管探针2作为工具对聚苯乙烯微球进行操作,拉锥毛细管探针可使用光纤熔融拉锥机拉制，将二氧化硅毛细管两端固定在拉锥机夹具上，利用氢氧焰加热毛细管中间部位的同时，通过夹具向反方向匀速拉动毛细管两端，使毛细管中间部位变细形成锥区，当毛细管锥区直径与所需微球直径大小相当时，停止加热拉锥，此时锥区最细部分已为实心二氧化硅材料,将毛细管在锥区最细处切断，就可获得两根毛细管探针。将拉锥毛细管探针固定在三维位移台上，通过调节三维微位移平台使其与大小适当的聚苯乙烯微球接触。在静电吸附作用下，毛细管探针可将微球吸附起来，从而利用毛细管探针拾起所选微球，如图1和图2所示。下一步，通过调节三维平台将微球放置到微结构光纤3的上端端面上，再利用探针微调微球的位置，将其准确地放置在选定的流体通道端口上，如图3和4所示。然后，将电烙铁4的手柄头固定在三维位移平台的夹具上，控制烙铁头靠近聚苯乙烯微球对其进行加热，加热过程中要对烙铁头的位置进行微调，微球熔化后，待液体稍稍流进空气孔后移开烙铁头，冷却后通道中很短一段(L1，L1＝1-2mm)会被凝固的聚苯乙烯5堵住，如图5和图6所示。最后，将处理好的光纤一端浸没在加热融化的石蜡油中，并在约十秒后取出。在毛细效应作用下，石蜡油6会被吸入到其余未堵住的空气孔中，形成一段长为L2的液柱(L2>L1，L2≈1cm)。由于石蜡的熔点温度较低，因此在光纤浸没在石蜡油的过程中聚苯乙烯不会融化，石蜡油不会进入到选定的流体通道中。待石蜡油凝固后将该端一段长为L(L2>L>L1)的光纤切除，便实现选定的流体通道一端口露出，而其余微孔被石蜡封堵的效果，如图7所示。

步骤2、利用紫外固化胶对另一端进行封堵处理

首先，将上一阶段处理好的光纤一端插入到注射器针头7内，再将石蜡油滴到针尖处以达到密封效果，使光纤与注射器针头密封连接，如图8所示。之后，选用一种粘度较小(20mPa·s)的紫外固化胶8作为封堵材料，利用注射器向流体通道中缓慢注入空气的同时，将光纤待封堵一端深入到紫外固化胶中。通过注入气体的方法，紫外固化胶可进入到待封堵的空气孔中，但流体通道不会受到影响。约一分钟后，将光纤从紫外固化胶中取出，擦除光纤表面的多余胶体后将光纤从针头中取出，在此过程中应保证流体通道内一直有空气注入。最后，如图9所示，利用紫外光9照射光纤固化光纤孔内胶体，再该端光纤切除一小段。如图10所示，可以观察到除流体通道端口外，其他空气孔均已被凝固的紫外固化胶堵住。至此，微结构光纤内流体通道制作完成。此外，利用该方法可对光纤内多个流体通道进行制作。

该制作方法，适用于制作单流体通道，也可用于制作多流体通道。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (3)

1.一种光纤光流体通道的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在微结构光纤一端利用基于聚苯乙烯微球和石蜡油的选择性填充方法制作流体通道一端端口；

步骤2、在微结构光纤一端通气的情况下，利用紫外固化胶对光纤另一端除对应流体通道的端口进行封堵处理，制作流体通道的另一端端口。

2.根据权利要求1所述的光纤光流体通道的制作方法，其特征在于、步骤1包括：

1.1选取微结构光纤，对光纤的两端进行预处理，并将光纤竖直地置于显微镜下备用；

1.2、利用拉锥毛细管探针将洒在显微镜载物台上的聚苯乙烯微球吸起，移动至微结构光上端端面上，并准确放置在选定的流体通道端口上；

1.3、通过电烙铁对聚苯乙烯微球进行加热，待微球熔化部分流进空气孔后移开烙铁头；

1.3、在熔化的聚苯乙烯液体冷却后，将处理好的光纤一端浸没在加热融化的石蜡油中，在毛细效应作用下，石蜡油被吸入到其余未堵住的空气孔中，吸入的石蜡油的液柱长度需要大于进入到空气孔中的聚苯乙烯柱的长度；

1.4、待石蜡油凝固后将该端切除一段，切除的长度需要小于吸入的石蜡油的柱长，同时需要大于聚乙烯柱的长度，实现选定的流体通道一端口露出，而其余微孔被石蜡封堵。

3.根据权利要求1所述的光纤光流体通道的制作方法，其特征在于：步骤2包括：

2.1、将步骤1处理好的光纤一端插入到注射器针头内，将石蜡油滴到针尖处以达到密封效果，使光纤与注射器针头密封连接；

2.2、利用注射器向流体通道中缓慢注入空气的同时，将光纤待封堵一端深入到粘度较低的紫外固化胶中，在毛细效应作用下，胶液吸入到待封堵端的待封堵空气孔内；

2.3、将光纤从紫外固化胶中取出，擦除光纤表面的多余胶体后将光纤从针头中取出；

2.4、利用紫外光照射光纤固化光纤孔内胶体，再将该端光纤切除一小段，实现除流体通道端口外，其他空气孔均已被凝固的紫外固化胶堵。

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