CN115093114A - 一种微纳光纤制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳光子学器件领域，尤其涉及一种微纳光纤制备装置。本装置包括三个直线电机、两个光纤夹具、电加热装置、两个CCD相机、拉力计以及控制器。本装置通过电加热装置加热待拉伸光纤，并通过两个光纤夹具夹持待拉伸光纤两端，并通过拉力计保持待拉伸光纤的拉紧程度，加热后，通过两个直线电机将待拉伸光纤进行拉伸，将待拉伸光纤拉伸至预设精度，并由控制器控制预设精度，同时CCD相机对拉伸过程进行实时监测，并随时调整待拉伸光纤姿态。本发明的目的是提供一种微纳光纤制备装置及方法，以保证所拉制微纳光纤的高一致性和高精度。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光子学器件领域，尤其涉及一种微纳光纤制备装置及方法。
背景技术
微纳光纤以其损耗小、价格低廉、易于批量生产等优点，被广泛应用于探测、医疗、通信等各个领域，发挥着不可或缺的作用。
微纳光纤能够将光波限域在亚波长尺度内实现低损耗的传输，这为光学器件的微型化及其之间的光连接提供了可能；另一方面，微纳光纤传感器具有高灵敏度、响应迅速、体积小、倏逝场大等突出优点，能够实现对外界环境微小变化进行传感，这使得微纳光纤在光传感领域具有良好的应用前景。
目前微纳光纤多采用氢气火焰加热的方法制备，该方法制备的微纳光纤直径可达亚微米量级，但光纤中存在明显吸收水峰；且当拉制的微纳光纤直径小于1μm时，微纳光纤易受到氢气火焰扰动，这样难以精确控制微纳光纤的直径，无法保证微纳光纤的一致性。因此，亟需一种能够制备高一致性、高精度微纳光纤的装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳光纤制备装置及方法，以保证所拉制微纳光纤的高一致性和高精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微纳光纤制备装置，包括：
三个直线电机、两个光纤夹具、电加热装置、两个CCD相机、拉力计以及控制器；所述三个直线电机分别为第一直线电机、第二直线电机和第三直线电机；所述两个光纤夹具分别为第一光纤夹具和第二光纤夹具；所述两个CCD相机分别为第一CCD相机和第二CCD相机；
所述第一直线电机和所述第二直线电机沿水平方向设置；所述第一光纤夹具和所述第二光纤夹具分别固定在所述第一直线电机和所述第二直线电机上；
所述第三直线电机沿垂直方向设置；所述电加热装置固定在所述第三直线电机上，且位于所述第一直线电机和所述第二直线电机中间；所述第一CCD相机和所述第二CCD相机分别位于所述电加热装置两侧的对称位置；所述拉力计位于所述第一直线电机或所述第二直线电机远离所述电加热装置的一侧；
工作时，所述第一光纤夹具和所述第二光纤夹具分别夹持在待拉伸光纤的两端；所述第一光纤夹具、所述第二光纤夹具、所述待拉伸光纤、所述电加热装置的中心加热区以及所述拉力计处于同一平面且共轴；
所述控制器分别与所述三个直线电机、所述电加热装置、所述两个CCD相机以及所述拉力计连接。
可选的，所述电加热装置包括高温发热元件、隔热材料和加热电极；所述加热电极连接在所述高温发热元件上；所述隔热材料包裹在所述高温发热元件及所述加热电极上。
可选的，所述高温发热元件的材料包括碳化硅、铬酸镧、二硅化钼、二硅化钨中的一种或更多种。
可选的，所述隔热材料包括陶瓷纤维、二氧化硅纤维、氧化铝纤维中的一种或更多种。
可选的，所述加热电极的材料包括金、银、铜、锡、钨中的一种或更多种。
可选的，所述电加热装置的加热温度为1200℃-1500℃。
可选的，所述两个CCD相机的焦距范围为120mm-150mm，视场范围为6mm-10mm。
可选的，所述拉力计的动态范围为0.1N-100N。
为实现上述目的，本发明还提供一种微纳光纤制备方法，所述微纳光纤制备方法基于前述微纳光纤制备装置，所述微纳光纤制备方法包括：
工作前，令三个直线电机均处于零位，电加热装置距离光纤拉制区预设距离；
通过控制器预先设定拉制过程工艺参数；所述拉制过程工艺参数包括待拉伸光纤的目标直径、三个直线电机的拉伸加速度、拉伸时间、电加热装置的加热温度以及拉力计的拉紧力度；
工作时，将待拉伸光纤的一端夹持在第一光纤夹具上，另一端通过拉力计在所述控制器的控制下按照所述拉紧力度将所述待拉伸光纤拉紧；
随后将所述待拉伸光纤的另一端夹持在第二光纤夹具上，保证两个光纤夹具、待拉伸光纤、电加热装置的中心加热区以及拉力计处于同一平面且共轴；
通过控制器控制位于垂直方向的第三直线电机带动电加热装置移动至待拉伸光纤处，电加热装置根据所述加热温度加热待拉伸光纤；
通过控制器控制第一直线电机和第二直线电机按照所述拉伸加速度向两侧拉伸所述待拉伸光纤，达到所述拉伸时间后将所述待拉伸光纤拉伸至所述目标直径，制成微纳光纤；
光纤拉伸时的姿态通过对称设置的两个CCD相机进行在线监测，两个CCD相机将监测画面传输至所述控制器；
所述控制器根据监测画面解析光纤拉伸实时姿态，根据所述光纤拉伸实时姿态实时调整拉制过程工艺参数。
可选的，在所述将待拉伸光纤的一端夹持在第一光纤夹具上之前，还包括：
将普通单模光纤去除包覆层之后，得到所述待拉伸光纤。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种微纳光纤制备装置及方法，所述装置包括：三个直线电机、两个光纤夹具、电加热装置、两个CCD相机、拉力计以及控制器；三个直线电机分别为第一直线电机、第二直线电机和第三直线电机；两个光纤夹具分别为第一光纤夹具和第二光纤夹具；两个CCD相机分别为第一CCD相机和第二CCD相机；第一直线电机和第二直线电机沿水平方向设置；第一光纤夹具和第二光纤夹具分别固定在第一直线电机和第二直线电机上；第三直线电机沿垂直方向设置；电加热装置固定在第三直线电机上，且位于第一直线电机和第二直线电机中间；第一CCD相机和第二CCD相机分别位于电加热装置两侧的对称位置；拉力计位于第一直线电机或第二直线电机远离电加热装置的一侧；工作时，第一光纤夹具和第二光纤夹具分别夹持在待拉伸光纤的两端；第一光纤夹具、第二光纤夹具、待拉伸光纤、电加热装置的中心加热区以及拉力计处于同一平面且共轴；控制器分别与三个直线电机、电加热装置、两个CCD相机以及拉力计连接。
本发明的微纳光纤制备装置及方法通过电加热装置将待拉伸光纤加热，通过两个光纤夹具与水平方向直线电机完成拉伸过程，同时通过两个CCD相机实时监测光纤的拉伸姿态，能够制备高一致性、高精度的微纳光纤，直径精度误差达到±2％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种微纳光纤制备装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的微纳光纤在CCD相机下的监测照片示意图；
图3为本发明实施例提供的利用微纳光纤制备装置拉制的直径为1.5μm的微纳光纤样件显微图；
符号说明：
1-第一直线电机，2-第一光纤夹具，3-第一CCD相机，4-第三直线电机，5-电加热装置、6-第二CCD相机、7-第二光纤夹具、8-第二直线电机、9-拉力计、10-待拉伸光纤。
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，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。
本发明的目的是提供一种微纳光纤制备装置及方法，以保证所拉制微纳光纤的高一致性和高精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
本发明提供了一种微纳光纤制备装置，如图1所示，所述装置包括三个直线电机、两个光纤夹具、电加热装置5、两个CCD相机、拉力计9以及控制器(图中未示出)。三个直线电机分别为第一直线电机1、第二直线电机8和第三直线电机4；两个光纤夹具分别为第一光纤夹具2和第二光纤夹具7；两个CCD相机分别为第一CCD相机3和第二CCD相机6。
第一直线电机1和第二直线电机8沿水平方向设置；第一光纤夹具2和第二光纤夹具7分别固定在第一直线电机1和第二直线电机8上。
第三直线电机4沿垂直方向设置。电加热装置5固定在第三直线电机4上，且位于第一直线电机1和第二直线电机8中间。第一CCD相机3和第二CCD相机6分别位于电加热装置5两侧的对称位置。拉力计9位于第一直线电机1或第二直线电机8远离电加热装置5的一侧。
工作时，第一光纤夹具2和第二光纤夹具7分别夹持在待拉伸光纤10的两端；第一光纤夹具2、第二光纤夹具7、待拉伸光纤10、电加热装置5的中心加热区以及拉力计9处于同一平面且共轴。
控制器分别与三个直线电机、电加热装置5、两个CCD相机以及拉力计9连接。
具体的，电加热装置5包括高温发热元件、隔热材料和加热电极；所述加热电极连接在所述高温发热元件上；所述隔热材料包裹在所述高温发热元件及所述加热电极上。其中高温发热元件能够提供1400度以上的高温，可使待拉伸光纤10处于熔融状态。隔热材料将高温发热元件发出的热量隔绝在一个预设范围内，保证加热区域温度的稳定性。加热电极为高温发热元件提供足够的电流电压，以保证高温发热元件正常运作。
高温发热元件的材料包括碳化硅、铬酸镧、二硅化钼、二硅化钨中的一种或更多种；隔热材料包括陶瓷纤维、二氧化硅纤维、氧化铝纤维中的一种或更多种；加热电极的材料包括金、银、铜、锡、钨中的一种或更多种。
电加热装置5的加热温度为1200℃-1500℃。
两个CCD相机的焦距范围为120mm-150mm，视场范围为6mm-10mm。
拉力计9的动态范围为0.1N-100N。
基于前述微纳光纤制备装置，本发明还提供了一种微纳光纤制备方法，所述微纳光纤制备方法包括：
工作前，令三个直线电机均处于零位，电加热装置5距离光纤拉制区预设距离，该预设距离通常为50mm以上。
通过控制器预先设定拉制过程工艺参数；拉制过程工艺参数包括待拉伸光纤10的目标直径、三个直线电机的拉伸加速度、拉伸时间、电加热装置5的加热温度以及拉力计9的拉紧力度。具体的，制备直径为1.5μm微纳光纤时，拉力计9的拉紧力度为0.2N。
工作时，将待拉伸光纤10的一端夹持在第一光纤夹具2上，另一端通过拉力计9在控制器的控制下按照拉紧力度将待拉伸光纤10拉紧。随后将待拉伸光纤10的另一端夹持在第二光纤夹具7上，保证两个光纤夹具、待拉伸光纤10、电加热装置5的中心加热区以及拉力计9处于同一平面且共轴。
通过控制器控制位于垂直方向的第三直线电机4带动电加热装置5移动至待拉伸光纤10处，电加热装置5根据加热温度加热待拉伸光纤10。具体的，制备直径为1.5μm微纳光纤时，电加热装置5加热温度至1400℃。
通过控制器控制第一直线电机1和第二直线电机8按照拉伸加速度向两侧拉伸待拉伸光纤10，达到拉伸时间后将待拉伸光纤10拉伸至目标直径。具体的，制备直径为1.5μm微纳光纤时，第一直线电机1与第二直线电机8相对运动重复精度为50nm。
光纤拉伸时的姿态通过对称设置的两个CCD相机进行在线监测，两个CCD相机将监测画面传输至控制器。控制器根据监测画面解析光纤拉伸实时姿态，根据光纤拉伸实时姿态实时调整拉制过程工艺参数。
其中，在将待拉伸光纤10的一端夹持在第一光纤夹具2上之前，还包括：将普通单模光纤去除包覆层之后，得到待拉伸光纤10。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所涉及装置可以制备长20mm-50mm，直径500nm-10μm的双锥形微纳光纤。
(2)本发明所涉及装置制备的微纳光纤具备高一致性，直径精度误差达到±2％。
(3)本发明所涉及装置具备高度自动化功能，有望实现微纳光纤的全自动制备，具有广泛的应用前景。
下面提供本发明微纳光纤制备装置及方法的一个具体实施例。
在该实施例中，所述微纳光纤制备装置主要由三个直线电机、两个光纤夹具、一个电加热装置5、一个拉力计9以及两个CCD相机组成，三个直线电机分别为第一直线电机1、第二直线电机8和第三直线电机4；两个光纤夹具分别为第一光纤夹具2和第二光纤夹具7；两个CCD相机分别为第一CCD相机3和第二CCD相机6。
第一直线电机1和第二直线电机8沿水平方向设置；第一光纤夹具2和第二光纤夹具7分别固定在所述第一直线电机1和所述第二直线电机8上，第三直线电机4沿垂直方向设置，电加热装置5固定于第三直线电机4上，拉力计9位于第二直线电机8右端，第一CCD相机3和所述第二CCD相机6分别位于所述电加热装置5两侧的对称位置。
其中，电加热装置5的高温发热元件采用铬酸镧陶瓷制成，隔热材料选用二氧化硅纤维，加热电极材料选用钨丝，可将待拉伸光纤10加热至熔融状态，便于后续光纤拉伸变径；工作前，三个直线电机均处于零位，电加热装置5距离光纤拉制区50mm以上；工作时，首先将普通单模光纤去除包覆层之后，一端夹持在第一光纤夹具2上，另一端通过拉力计9将光纤拉紧，拉紧力度约为0.2N，随后将其夹持在第二光纤夹具7上，保证两个光纤夹具、光纤、电加热装置5中心加热区以及拉力计9处于同一平面且共轴。
通过自动化控制软件预先设定所需拉制的光纤直径、拉伸加速度、锥角等工艺参数，进而精密控制三个方向的直线电机运动轨迹。第三直线电机4上的电加热装置5移动至待拉伸光纤10处，电加热装置5加热待拉伸光纤10，加热温度约为1400℃，第一直线电机1与第二直线电机8向两侧拉伸待拉伸光纤10，其相对运动重复精度达到50nm,将普通光纤拉制成所需的微纳光纤。光纤拉伸时的姿态通过对称设置的CCD相机进行在线监测，如图2所示，根据拉伸实时姿态及时调整拉制工艺参数，保证微纳光纤整体质量。
通过这种方法拉制的微纳光纤长30mm左右，直径精度误差达到±2％，由图3可见，制备得到的微纳光纤直径均匀，具有高一致性。本发明所涉及装置具备高度自动化功能，可通过软件控制相关拉制参数，有望实现微纳光纤的全自动制备。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种微纳光纤制备装置，其特征在于，包括：三个直线电机、两个光纤夹具、电加热装置、两个CCD相机、拉力计以及控制器；所述三个直线电机分别为第一直线电机、第二直线电机和第三直线电机；所述两个光纤夹具分别为第一光纤夹具和第二光纤夹具；所述两个CCD相机分别为第一CCD相机和第二CCD相机；
所述第一直线电机和所述第二直线电机沿水平方向设置；所述第一光纤夹具和所述第二光纤夹具分别固定在所述第一直线电机和所述第二直线电机上；
所述第三直线电机沿垂直方向设置；所述电加热装置固定在所述第三直线电机上，且位于所述第一直线电机和所述第二直线电机中间；所述第一CCD相机和所述第二CCD相机分别位于所述电加热装置两侧的对称位置；所述拉力计位于所述第一直线电机或所述第二直线电机远离所述电加热装置的一侧；
工作时，所述第一光纤夹具和所述第二光纤夹具分别夹持在待拉伸光纤的两端；所述第一光纤夹具、所述第二光纤夹具、所述待拉伸光纤、所述电加热装置的中心加热区以及所述拉力计处于同一平面且共轴；
所述控制器分别与所述三个直线电机、所述电加热装置、所述两个CCD相机以及所述拉力计连接。
2.根据权利要求1所述的一种微纳光纤制备装置，其特征在于，所述电加热装置包括高温发热元件、隔热材料和加热电极；所述加热电极连接在所述高温发热元件上；所述隔热材料包裹在所述高温发热元件及所述加热电极上。
3.根据权利要求2所述的一种微纳光纤制备装置，其特征在于，所述高温发热元件的材料包括碳化硅、铬酸镧、二硅化钼、二硅化钨中的一种或更多种。
4.根据权利要求2所述的一种微纳光纤制备装置，其特征在于，所述隔热材料包括陶瓷纤维、二氧化硅纤维、氧化铝纤维中的一种或更多种。
5.根据权利要求2所述的一种微纳光纤制备装置，其特征在于，所述加热电极的材料包括金、银、铜、锡、钨中的一种或更多种。
6.根据权利要求2所述的一种微纳光纤制备装置，其特征在于，所述电加热装置的加热温度为1200℃-1500℃。
7.根据权利要求1所述的一种微纳光纤制备装置，其特征在于，所述两个CCD相机的焦距范围为120mm-150mm，视场范围为6mm-10mm。
8.根据权利要求1所述的一种微纳光纤制备装置，其特征在于，所述拉力计的动态范围为0.1N-100N。
9.一种微纳光纤制备方法，其特征在于，所述微纳光纤制备方法基于权利要求1-8中任一项所述的微纳光纤制备装置，所述微纳光纤制备方法包括：
工作前，令三个直线电机均处于零位，电加热装置距离光纤拉制区预设距离；
通过控制器预先设定拉制过程工艺参数；所述拉制过程工艺参数包括待拉伸光纤的目标直径、三个直线电机的拉伸加速度、拉伸时间、电加热装置的加热温度以及拉力计的拉紧力度；
工作时，将待拉伸光纤的一端夹持在第一光纤夹具上，另一端通过拉力计在所述控制器的控制下按照所述拉紧力度将所述待拉伸光纤拉紧；
随后将所述待拉伸光纤的另一端夹持在第二光纤夹具上，保证两个光纤夹具、待拉伸光纤、电加热装置的中心加热区以及拉力计处于同一平面且共轴；
通过控制器控制位于垂直方向的第三直线电机带动电加热装置移动至待拉伸光纤处，电加热装置根据所述加热温度加热待拉伸光纤；
通过控制器控制第一直线电机和第二直线电机按照所述拉伸加速度向两侧拉伸所述待拉伸光纤，达到所述拉伸时间后将所述待拉伸光纤拉伸至所述目标直径，制成微纳光纤；
光纤拉伸时的姿态通过对称设置的两个CCD相机进行在线监测，两个CCD相机将监测画面传输至所述控制器；
所述控制器根据监测画面解析光纤拉伸实时姿态，根据所述光纤拉伸实时姿态实时调整拉制过程工艺参数。
10.根据权利要求9所述的一种微纳光纤制备方法，其特征在于，在所述将待拉伸光纤的一端夹持在第一光纤夹具上之前，还包括：
将普通单模光纤去除包覆层之后，得到所述待拉伸光纤。
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