微纳光纤表面制作光栅的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电子技术和光纤传感领域，特别涉及微纳光纤光栅的制作技术及装 置。
【背景技术】
[0002] 长周期光纤光栅是一种透射型光栅器件，在光纤通讯和光纤传感领域具有广阔的 应用前景。例如，利用长周期光纤光栅可以实现透射型带阻滤波器，制作温度、应力、弯曲传 感器等。长周期光纤光栅的基本原理是利用光纤中折射率或模场的周期性调制，实现光纤 中各阶模式间的耦合，从而在透射光谱中形成谐振峰（也叫损耗峰）。基于这一原理，研究 者们利用紫外激光、离子注入、co2激光、电弧放电等方法在光纤中引入周期性调制，已成功 地在各种光纤中制作了长周期光纤光栅。
[0003] 相比于其他光纤，微纳光纤的直径在微米和亚微米尺度，且具有特征尺寸较小、倏 逝场很强，模式间的有效折射率差很大等特点。微纳光纤的长周期光栅同时结合了微纳光 纤的倏逝场特性和长周期光栅的光谱特性，可以实现高灵敏度的传感。同时，微纳光纤长周 期光栅的周期比普通光纤小一个量级，而直径比普通光纤小两个量级，故有利于实现紧凑 的器件结构。
[0004] 目前，常见的微纳光纤表面制作光栅的方法主要有：C02激光微拉锥法、飞秒激光 表面刻蚀法、周期性表面涂覆法，以及氧化硅薄膜的〇)2激光曝光等方法。以下分别进行简 要介绍。
[0005] (1) 0)2激光微拉锥法：H. Xuan提出了一种利用0)2激光器对微纳光纤进行加热， 继而进行周期性微拉锥的方法来制作微纳光纤长周期光栅。微纳光纤直径约为6. 3微米， 所得长周期光栅具有负的温度响应，大约-190 pm/°C，和较高的折射率灵敏度，大约1900 nm/RI，可用于灵敏的折射率传感。这一制作方法的优点在于0)2激光器成本较低。缺点为 C02激光器的焦斑较大，仅能制作周期在百微米量级的长周期光栅。同时，在微拉锥过程中 难以对拉锥形状进行精确控制，非绝热过渡的微拉锥区域将导致较大的传输损耗。
[0006] (2)飞秒激光表面刻蚀法：谐振波长一定时，微纳光纤的直径越小，对应的光栅周 期也越小。因此，为了在波长量级直径的微纳光纤中制作长周期光栅，H. Xuan等研究者又 提出了一种利用飞秒激光在微纳光纤表面进行周期性刻蚀的制作方法。飞秒激光的波长为 800纳米，聚焦光斑直径可以达到2. 5微米，可以在直径为2. 4微米的微纳光纤中制作周期 15微米的长周期光栅。此法的优点在于利用飞秒激光较小的聚焦光斑，可以实现更高精度 的微结构加工。缺点在于飞秒激光直接损伤了石英微纳光纤，极易导致器件断裂，降低了器 件的力学性能。
[0007] (3)周期性表面涂覆法：X. Zhang等研究者提出了一种利用PDMS对微纳光纤进 行周期性表面涂覆的方法制作微纳光纤长周期光栅。所得微纳光纤直径7. 6微米，光栅周 期143微米。此方法中引入了聚合物材料，其较高的生物亲和性将会使得微纳光纤长周期 光栅具有更广的应用前景。然而，制作过程中PDMS液滴尺寸较大(约为20微米~30微米)， 同时，PDMS液滴固化过程耗时较长（〈24小时）且不易控制，难以保证PDMS液滴表面形貌的 一致性，可能会降低微纳光纤长周期光栅制作的一致性。
[0008] (4)氧化硅薄膜C02激光曝光法：G. Kakarantzas等研究者则将表面涂覆和周期 性曝光相结合，提出了一种首先在微纳光纤表面涂覆二氧化硅薄膜，随后利用〇)2激光器进 行周期性固化的方法制作微纳光纤长周期光栅。由于薄膜均匀性较好，固化过程中没有引 起石英微纳光纤的损伤，此法制作的微纳光纤不易断裂，并具有较低的传输损耗。但这一方 法的缺点则是受〇)2激光的光束质量和较长的波长（10. 6微米）的限制，无法进行较小周期 微纳光纤长周期光栅的制作。
[0009] 有鉴于此，确有必要提供一种高效、易行、可靠的微纳光纤表面制作光栅的方法， 并且完全与现有的光纤光栅制作方法与设备兼容。
【发明内容】
[0010] 本发明的主要目的在于克服上述各种技术的缺点与不足，提供一种微纳光纤表面 制作光栅的方法。该方法是在由普通光纤拉制而成的微纳光纤中制备光栅。首先利用一种 改良的浸没涂覆法进行微纳光纤的表面涂覆，通过紫外光敏薄膜实现微纳光纤的功能化。 随后，利用紫外激光对薄膜进行曝光制作光栅。
[0011] -种微纳光纤表面制作光栅的方法，其中，该方法包括以下步骤：提供一微纳光 纤；在该微纳光纤表面涂覆一层紫外光敏功能化膜；以及使用紫外光源对该紫外光敏功能 化膜进行逐点曝光。
[0012] 进一步，所述在该微纳光纤表面涂覆一层紫外光敏功能化膜的方法包括以下步 骤：利用一液滴悬垂装置将溶有紫外光敏材料的液滴悬垂于空中；将该微纳光纤浸没在该 溶有紫外光敏材料的液滴中；使该溶有紫外光敏材料的液滴与该微纳光纤在该微纳光纤的 轴向相对移动，从而在该微纳光纤表面形成一预制层；以及对该微纳光纤表面的预制层进 行加热。
[0013] 进一步，所述对该微纳光纤表面的预制层进行加热的温度低于200°C。
[0014] 进一步，所述液滴悬垂装置固定于一电控平移台上，所述电控平移台由计算机程 序控制进行连续扫描式移动，移动速度为〇. 005毫米/秒-5毫米/秒。
[0015] 进一步，所述液滴包括溶剂和溶于该溶剂中的紫外光敏性溶质；所述溶剂为正己 烷、异己烷、环己烷、正戊烷、异戊烷、环戊烷、庚烷、辛烷、异辛烷、苯、甲苯、邻二甲苯、间二 甲苯、对二甲苯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、苯胺、氯仿和二氯亚砜中的一种或多种；所述光 敏性溶质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚亚酰胺、紫外光敏树脂SU-8 和AZ4620中的一种或多种。
[0016] 进一步，所述使用紫外光源对该紫外光敏功能化膜进行逐点曝光的方法包括以下 步骤：提供一计算机控制的电控平移台，且该电控平移台上设置有紫外光反射镜、紫外透镜 或透镜组以及快门；所述紫外光源发射紫外光，且使该紫外光通过该紫外光反射镜反射后， 再经过紫外透镜或透镜组聚焦于该紫外光敏功能化膜表面；通过计算机控制该电控平移台 的移动来调节该紫外光在该紫外光敏功能化膜表面的曝光位置；以及打开该快门曝光并利 用该快门控制曝光的时间。
[0017] 进一步，所述通过计算机控制该电控平移台移动的方法为：使该电控平移台在该 计算机控制下作步进式移动，每次移动的距离对应于光栅的栅线间距是周期性或非周期性 的，移动的距离为100纳米-1毫米。
[0018] 进一步，所述电控平移台的扫描速度为0.005毫米/秒-5毫米/秒。
[0019] 进一步，所述紫外光在该紫外光敏功能化膜表面形成的光斑直径为100纳米-100 微米。
[0020] 进一步，所述涂覆紫外光敏功能化膜以及逐点曝光的过程中，该微纳光纤一端接 入宽带检测光源，另一端接入光谱仪，以对该微纳光纤的透射光谱进行实施监控 本发明提出的制作方法优点为，利用涂覆在微纳光纤表面的功能化膜，借助于薄膜材 料的光敏性，利用低功率的紫外光进行曝光制备光栅。该方法不会引起石英微纳光纤的损 伤，保证了微纳光纤光栅的力学性能。而且，该方法与当前通用的光纤光栅制备方法和设备 完全兼容。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明的实施例的微纳光纤表面制作光栅的方法的流程图。
[0022] 图2是本发明的实施例的微纳光纤拉锥步骤的装置结构示意图。
[0023] 图3是本发明的实施例的在微纳光纤表面涂覆紫外光敏功能化膜步骤的装置结 构示意图。
[0024] 图4是本发明的实施例的使用紫外光源对该紫外光敏功能化膜进行逐点曝光步 骤的装置结构示意图。
[0025] 图5是利用本发明的实施例的方法得到的长周期光栅的透射谱。
[0026] 主要元件符号说明
如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0027] 下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的微纳光纤表面制作光栅的方法作 进一步的详细说明。本发明利用功能化膜和紫外曝光相结合的方法制作微纳光纤光栅。概 括地讲，本发明是首先利用紫外光敏薄膜对微纳光纤进行功能化，继而通过紫外光进行逐 点曝光，最终在微纳光纤上实现光栅的制作。
[0028] 本发明利用一种改进的浸没涂覆法，通过计算机通过控制电控平移台，实现涂覆 速度和范围的控制，并利用低温热源加热薄膜促进溶剂挥发，在微纳光纤表面实现了紫外 光敏功能薄膜的制备。
[0029] 本发明还利用计算机控制扫描逐点曝光的技术方案，实现了微纳光纤光栅的制 作。通过计算机控制电控平移台的移动来逐点控制曝光位置，并控制快门的打开时间来逐 点控制曝光时间，实现不同剂量地逐点曝光。该方法可以用于制备长周期光栅，也可以用于 制备周期在波长量级的布拉格光栅。
[0030] 请参阅图1，本发明实施例提供一种微纳光纤表面制作光栅的方法，具体包括以下 步骤： 步骤S10,提供一微纳光纤； 步骤S20,在该微纳光纤表面涂覆一层紫外光敏功能化膜；以及 步骤S30,使用紫外光源对该紫外光敏功能化膜进行逐点曝光。
[0031] 所述步骤S10中，所述微纳光纤14的制作方法为：用高温热源22加热一普通光纤 10,同时利用夹具20将该普通光纤10向两端拉伸，通过计算机控制拉伸速度和高温热源22 的运动。
[0032] 请参阅图2,本发明实施例中，所述微纳光纤的制作方法具体为：去除普通光纤10 表面涂覆层；将剥除涂覆层的普通光纤10两端固定于拉锥装置的夹具20上；利用高温热 源22对普通光纤10进行往返扫描加热，夹具20同时向两边拉伸。进一步，该拉伸过程中普 通光纤10 -端接入检测光源24,另一端接入光谱仪26,对普通光纤10的插入损耗进行实 时监控。通过计算机程序控制拉伸过程，可实现不同直径微纳光纤的拉制。拉制后的普通 光纤10包括过渡拉锥12和微纳光纤14。所述高温热源22采用丁烷-氧气火焰、氢氧焰、 C02激光器，或高压电弧，温度高于1000°C。所述拉锥装置采用计算机控制