CN208635818U - 一种端面带有光栅结构的光纤及其应用的传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种端面带有光栅结构的光纤及其应用的传感器，属于光纤技术领域。包括光纤体，光纤体的一端设有PDMS层，PDMS层与光纤体之间固定连接，PDMS层上通过模压形成有光栅结构；一种由上述光纤组成的光纤传感器，包括光源模块，光纤耦合器，端面带有光栅结构的光纤及感光元件，光纤的一端与电源通过光纤耦合器连接，另一端与感光元件连接，光纤耦合器用于接收光源模块发出的光并输出给光栅光纤；光栅光纤用于远距离的能量传输，且将出射光根据波长进行分光；感光元件对经过光纤分光的光谱分析。本实用新型结构简单，制造方便，可进行大批量生产，生产成本低，能对光纤的出射光进行分光。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤技术领域，主要应用于光谱传感和光纤通信等领域，具体涉及一种端面带有光栅结构的光纤及其应用的传感器。
背景技术
光纤作为一种可将光信号远距离传输并限制在狭小空间内的元件，其光学传感方面得到了广泛的应用。由于光纤端面的纳米结构所激发的表面等离子体共振对周围折射率极其敏感，因此生产应用中光纤端面微纳结构加工形式多种多样：
1)将设置的复杂微纳结构通过微小机械臂转移至光纤的端面形成光纤结构。这种方式的微纳结构与光纤端面的对准精度要求极高，因此加工的难度较高，效率较低，仅具备科研验证的意义，不适用于工业应用。
2)将金属微纳结构在平面基底上完成，然后通过物理压制的方式转移到光纤的端面。这种方式加工微纳结构的主要缺点是：加工后的微纳结构容易上下颠倒，并且物理压制可能对结构造成一定的损伤；同时为了使微纳结构的转移顺利完成，需要多个牺牲层，因此大批量生产后成本较高，且整体操作较为复杂，不适用于平行加工和规模化加工。
3)环氧树脂转移的方法形成光纤端面结构，此方式与上述2)的方式基本一致，都是通过表面粘性的不同将加工好的微纳结构从平面基底上转移到光纤的端面，只不过此方式通过添加粘合层提高了转移的效率、降低了转移操作的复杂程度。但是此方式的主要缺点是转移后的结构会上下颠倒，导致形成的端面结构达不到预期的效果，同时压制操作有损伤微纳结构的可能性。
现有技术中使用的加工过程形成的端面微纳结构随机性大且不可控，生产效率低，结构复杂，很难进行大批量的生产，且加工成本较高。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型提供一种端面带有光栅结构的光纤，端面的光栅结构可以有效的将光纤的出射光进行分光，结构简单，可进行大批量生产，且大规模生产后降低生产成本，提高光纤元器件应对恶劣环境的适应能力。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种技术方案：提供一种端面带有光栅结构的光纤，包括光纤体，所述光纤体的一端设有PDMS层，所述PDMS层与光纤体之间固定连接，所述PDMS层上通过模压形成有光栅结构。
进一步的，所述光栅为衍射光栅。
本实用新型提供一种由上述光纤制成的光纤传感器：包括光源模块，光纤耦合器，端面带有光栅结构的光纤及感光元件，所述光纤的一端与电源通过光纤耦合器连接，所述带有光栅结的另一端与感光元件连接，所述光纤耦合器用于接收光源模块发出的光并输出给光栅光纤；所述光栅光纤用于远距离的能量传输，且将出射光根据波长进行分光；所述感光元件是将光信号转换为电信号传输给计算机。
进一步的，所述光纤耦合器型号为MFA-SC02-AQ。
进一步的，所述感光元件为CCD(电荷耦合)器件或CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。
进一步的，所述感光元件为CCD(电荷耦合)器件。
本实用新型的有益效果是：本实用新型结构简单，制造方便，可以进行大批量的生产，且大批量生产后可降低生产成本，除此而外，本实用新型还有以下优点：
1)PDMS层由多层涂布的方式逐渐增加，可以根据光栅结构与光源模块距离的要求，对PDMS层的厚度进行灵活调整，人为控制，使用范围更加广泛；且调整后的厚度可通过椭偏仪等精密测厚仪器进行精准测试。
2)实际操作中可以对光纤束同时进行端面光栅结构的加工，降低操作的难度并提高产出效率，进行大批量的生产。
3)PDMS透光性良好，可以有效避免光反射，对出射光进行分光，适应各种环境的变化，保证光传播的的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型一种端面带有光栅结构的光纤的主视图；
图2是本实用新型一种端面带有光栅结构的光纤的俯视图。
图3是本实用新型一种端面带有光栅结构的光纤的制备流程图。
图4是本实用新型光纤传感器的光电图。
图中，1-光纤体，2-PDMS层，3-光栅结构，4-基底。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
如图1-2所示，本实用新型提供了一种端面带有光栅结构的光纤，包括光纤体1，所述光纤体1的一端设有PDMS层2，所述PDMS层2与光纤体1之间固定连接，所述PDMS层2上通过模压形成有光栅结构3，所述的光栅结构为衍射光栅。
PDMS作为一种高分子有机硅化合物。具有光学透明性，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是最广泛使用的硅为基础的有机聚合物材料，其运用包括在生物微机电中的微流道系统、填缝剂、润滑剂、隐形眼镜。
液态时的二甲基硅氧烷为一黏稠液体，称做硅油，是一种具有不同聚合度链状结构的有机硅氧烷混合物，其端基和侧基全为烃基(如甲基、乙基、苯基等)。一般的硅油为无色、无味、无毒、不易挥发的液体。
固态的二甲基硅氧烷为一种硅胶，无毒、疏水性和防水性，惰性物质，且为非易燃性、透明弹性体。二甲基硅氧烷的制程简便且快速，材料成本远低于硅晶圆，且其透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及因为低杨氏模量导致的结构高弹性等。
因此利用PDMS结构制成的光栅，结构稳定，分辨率高，透光性良好，可以有效避免光反射，对出射光进行分光，适应各种环境的变化，保证光传播的的可靠性。
如图3所示，本实用新型提供一种端面带有光栅结构的光纤的制备过程：如图3a所示的正方形体的刚性基底4，首先，将预先设计的光栅结构模型的反结构刻在硅基等刚性基底上(参见图3b)；然后使用硅烷处理光栅结构模型及基底，使其在表面形成防粘图层，以便于光栅结构的脱离，且不对形成的光栅结构表面造成损伤；再将液态PDMS涂布于基底表面的防粘图层上，充分除去气体，加热PDMS使其固化，固化后重复PDMS的多层涂布和固化，直到用椭偏仪等精密测厚仪器测出适宜厚度的PDMS结构为止(参见图3c)；最后使用氧气等离子活化PDMS结构及光纤体端面，使其表面生成活性基团，将光纤体插在PDMS结构上直至两者形成永久的粘合(参见图3d)，再使用刀片将多余的PDMS结构去除掉，完成光栅结构端面的光纤制备(参见图3e)，再小心脱下光纤体1顶端的基底4加工出最终的端面带有光栅结构的光纤(参见图3f)。图3所示的步骤中，为将制备过程说清楚，仅使用了一根光纤，而实际操作中可以使用光纤束，降低操作的难度并提高产出效率。
如图4所示，本实用新型的工作过程如下：光源模块发出的光输入到光纤耦合器，光纤耦合器将需要测定的光耦合，然后从光纤上没有光栅结构的一端进入，光经光纤传输从设有光栅结构的另一端输出，光从光栅结构端出射时会根据波长被分光，分光后光经过CCD(电荷耦合)器件将光信号转化为电信号，电信号传输到计算机对光谱进行分析。
所述光源一般采用白炽灯泡，白炽灯泡发出的辐射光经过耦合器传输给光纤，光线从一侧进入，经过光栅结构在另一侧根据波长进行分光。感光元件是一种将光强信号转换为电信号的转换元件，它接收透过光纤的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号，传输给计算机分析光纤出射光的折射率。
本实用新型采用的耦合器型号为MFA-SC02-AQ。感光元件使用CCD(电荷耦合)器件或CMOS(互补金属氧化物半导体)器件，优选使用CCD(电荷耦合)器件。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (6)
1.一种端面带有光栅结构的光纤，包括光纤体(1)，其特征在于：所述光纤体(1)的一端设有PDMS层(2)，所述PDMS层(2)与光纤体(1)之间固定连接，所述PDMS层(2)上通过模压形成有光栅结构(3)。
2.根据权利要求1所述的端面带有光栅结构的光纤，其特征在于：所述光栅为衍射光栅。
3.一种由权利要求1所述的光纤构成的光纤传感器，其特征在于：包括光源模块，光纤耦合器，端面带有光栅结构的光纤及感光元件，所述光纤的一端与光源通过光纤耦合器连接，所述带有光栅结构的另一端与感光元件连接，所述光纤耦合器用于接收光源模块发出的光并输出给光栅光纤；所述光栅光纤用于远距离的能量传输，且将出射光根据波长进行分光；所述感光元件是将光信号转换为电信号传输给计算机进行分析。
4.根据权利要求3所述的光纤传感器，其特征在于：所述光纤耦合器型号为MFA-SC02-AQ。
5.根据权利要求3所述的光纤传感器，其特征在于：所述感光元件为CCD电荷耦合器件或CMOS互补金属氧化物半导体器件。
6.根据权利要求5所述的光纤传感器，其特征在于：所述感光元件为CCD电荷耦合器件。
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