一种微米级石英薄膜制备装置及其制备方法与流程

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种微米级石英薄膜制备装置及其制备方法。

背景技术：

石英薄膜多用于光纤器件，现有的石英薄膜的制备方法是利用端面研磨或气相沉积的方法制备超薄的石英薄膜，端面研磨方法需要使用研磨机对制备材料进行研磨，一旦研磨的某一部位不符合要求，就需要重新研磨，操作繁琐；气相沉积方法需要进行化学反应，化学反应得到的石英薄膜可能存在不平整的现象，且化学反应后的余气易燃、易爆或有毒，因此还需要采取防止环境污染的措施，操作复杂且成本较高。

因此，现有的石英薄膜的制备方法存在着一旦研磨的某一部位不符合要求，就需要重新研磨，操作繁琐，化学反应得到的石英薄膜可能存在不平整的现象，且化学反应后的余气易燃、易爆或有毒，需要采取防止环境污染的措施，操作复杂且成本较高的技术问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提出一种微米级石英薄膜制备装置及其制备方法，旨在解决现有的石英薄膜的制备方法存在的一旦研磨的某一部位不符合要求，就需要重新研磨，操作繁琐，化学反应得到的石英薄膜可能存在不平整的现象，且化学反应后的余气易燃、易爆或有毒，需要采取防止环境污染的措施，操作复杂且成本较高的技术问题。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种微米级石英薄膜制备装置，所述制备装置包括：压力装置、石英管、顶端加热装置、运动控制装置、光耦合装置、光源装置及光谱采集装置；

所述压力装置与所述石英管的第一端相连接，所述石英管的第二端置于所述顶端加热装置内，所述顶端加热装置用于向所述石英管的第二端进行加热处理，使所述石英管的第二端受热熔融封闭，所述压力装置向第二端受热熔融封闭的石英管的第一端进行加压处理，同时所述顶端加热装置向石英管的受热熔融封闭的一端进行加热处理，形成包含球形薄膜结构的石英管；

所述运动控制装置的第一端与包含球形薄膜结构的石英管的侧端夹持连接，所述运动控制装置的第二端与所述光耦合装置的第一端夹持连接，所述运动控制装置用于控制包含球形薄膜结构的石英管的侧端与所述光耦合装置的第一端水平对齐，以形成法布里-珀罗干涉仪，其中，所述侧端为球形薄膜结构的顶端，所述法布里-珀罗干涉仪包括所述侧端、所述光耦合装置的第一端、及之间的立体空间；

所述光耦合装置的第二端与所述光源装置相连接，所述光耦合装置的第三端与所述光谱采集装置相连接，所述光源装置向所述光耦合装置发射光源，所述光源经过所述光耦合装置的第二端导入所述法布里-珀罗干涉仪内，在被所述侧端的薄膜反射后，形成光谱，所述光谱返回所述光耦合装置内，并经过所述光耦合装置的第三端传送至所述光谱采集装置，所述光谱采集装置对所述光谱进行分析处理，确定所述侧端的薄膜的厚度，将满足预设厚度条件的侧端的薄膜确定为所述微米级石英薄膜。

进一步的，所述压力装置包括双通道微量注射泵及注射器，所述双通道微量注射泵置于所述注射器内，所述双通道微量注射泵用于对所述注射器施加压力。

进一步的，使用紫外固化胶将所述石英管的第一端与所述注射器的注射口密封连接。

进一步的，所述石英管的内径为10um～800um，所述石英管的外径为100um～1000um。

为实现上述目的，本发明第二方面提供一种微米级石英薄膜制备方法，所述制备方法用于本发明第一方面所述的制备装置，所述方法包括：

对石英管进行加压处理及加热处理，得到包含球形薄膜结构的石英管；

利用运动控制装置将包含球形薄膜结构的石英管的侧端与光耦合装置的第一端水平对齐，以形成法布里-珀罗干涉仪，其中，所述侧端为所述石英管经过加压处理及加热处理形成的球形薄膜结构的顶端，所述法布里-珀罗干涉仪包括所述侧端、所述光耦合装置的第一端、及之间的立体空间；

光源装置向所述光耦合装置发射光源，所述光源经过所述光耦合装置的第二端导入所述法布里-珀罗干涉仪内，在被所述侧端的薄膜反射后，形成光谱，所述光谱返回所述光耦合装置内，并经过所述光耦合装置的第三端传送至光谱采集装置；

所述光谱采集装置对所述光谱进行分析处理，确定所述侧端的薄膜的厚度，并将满足预设厚度条件的侧端的薄膜确定为所述微米级石英薄膜。

进一步的，所述对石英管进行加压处理及加热处理，得到包含球形薄膜结构的石英管，包括：

利用顶端加热装置对所述石英管的第二端进行加热处理，使所述石英管的第二端受热熔融封闭；

利用压力装置对第二端受热熔融封闭的石英管的第一端进行加压处理，同时利用所述顶端加热装置对所述石英管的受热熔融封闭的一端进行加热处理，得到包含球形薄膜结构的石英管。

进一步的，所述光谱采集装置对所述光谱进行分析处理，确定所述侧端的薄膜的厚度，包括：

所述光谱采集装置对所述光谱进行分析处理，得到所述光谱的波长和所述法布里-珀罗干涉仪的自由光谱程；

利用所述光谱的波长、所述自由光谱程及所述法布里-珀罗干涉仪的腔内折射率确定所述侧端的薄膜的厚度。

进一步的，所述利用所述光谱的波长、所述自由光谱程及所述法布里-珀罗干涉仪的腔内折射率确定所述侧端的薄膜的厚度，包括：

利用公式l＝λ²/2nδλ确定所述侧端的薄膜的厚度；

其中，l为所述侧端的薄膜的厚度，λ为所述光谱的波长，δλ为所述法布里-珀罗干涉仪的自由光谱程，n为所述法布里-珀罗干涉的腔内折射率。

进一步的，所述利用顶端加热装置对所述石英管的第二端进行加热处理，使所述石英管的第二端受热熔融封闭，包括：

对所述石英管的第二端进行平整处理，将平整处理后的石英管的第二端置于所述顶端加热装置内，利用所述顶端加热装置向平整处理后的石英管的第二端进行加热处理，使所述石英管的第二端受热熔融封闭。

进一步的，所述将满足预设厚度条件的侧端的薄膜确定为所述微米级石英薄膜，之前还包括：

判断所述侧端的薄膜的厚度是否满足所述预设厚度条件；

若所述侧端的薄膜的厚度满足所述预设厚度条件，则执行所述将满足预设厚度条件的侧端的薄膜确定为所述微米级石英薄膜的步骤；

若所述侧端的薄膜的厚度不满足所述预设厚度条件，则在对包含球形薄膜结构的石英管同时进行加压处理及加热处理后，返回执行所述判断所述侧端的薄膜的厚度是否满足所述预设厚度条件的步骤。

本发明提出的一种微米级石英薄膜制备装置，与现有技术相比，利用压力装置向石英管的第一端进行加压处理，利用顶端加热装置向石英管的第二端进行加热处理，石英管经过加压处理和加热处理后，会形成包含球形薄膜结构的石英管，利用光谱采集装置确定包含球形薄膜结构的石英管的侧端的薄膜的厚度，若该厚度不满足预设厚度条件，则利用压力装置继续加压处理及利用顶端加热装置继续加热处理，直到侧端的薄膜的厚度满足预设厚度条件，得到所需要的微米级石英薄膜，通过上述方式制备的微米级石英薄膜比端面研磨法和气相沉积法制备的微米级石英薄膜更加均匀平整，且因为不需要研磨，所以操作更加简单，因制备过程中只需要进行加压处理和加热处理，不存在易燃、易爆或有毒气体，所以不需采取防止环境污染措施，降低成本。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的一种微米级石英薄膜制备装置的结构示意图；

图2为本发明第二实施例提供的一种微米级石英薄膜制备方法的流程示意图；

图3为图2所示实施例中的步骤201的细化步骤的流程示意图；

图4为图2所示实施例中的步骤204的细化步骤的流程示意图；

图5为本发明第三实施例提供的一种微米级石英薄膜制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。

为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

为了更好的理解本发明，请参阅图1所示的第一实施例提供的一种微米级石英薄膜制备装置的结构示意图，所述制备装置包括：压力装置10、石英管20、顶端加热装置30、运动控制装置40、光耦合装置50、光源装置60及光谱采集装置70；

所述压力装置10与所述石英管20的第一端a1相连接，所述石英管20的第二端a2置于所述顶端加热装置30内，所述顶端加热装置30用于向所述石英管20的第二端a2进行加热处理，使所述石英管20的第二端a2受热熔融封闭，所述压力装置10向第二端a2受热熔融封闭的石英管20的第一端a1进行加压处理，同时所述顶端加热装置30向石英管20的受热熔融封闭的一端进行加热处理，形成包含球形薄膜结构的石英管20；

在本发明实施例中，首先将压力装置10与石英管20的第一端a1相连接，然后将石英管20的第二端a2置于顶端加热装置30内，使用顶端加热装置30对石英管20的第二端a2进行加热处理，使得石英管20的第二端a2受热熔融封闭，之后，利用压力装置10向第二端a2受热熔融封闭的石英管20的第一端a1进行加压处理，加压处理的同时，顶端加热装置30向石英管20的受热熔融封闭的一端进行加热处理，使得受热熔融封闭的一端形成球形薄膜结构，从而形成包含球形薄膜结构的石英管20，因为同时对石英管20进行加压处理和加热处理，所以可以得到更加均匀平整的球形薄膜结构。

其中，石英管20的结构为内径为10um～800um、外径为100um～1000um的柱形结构。

其中，压力装置10包括双通道微量注射泵及注射器，双通道微量注射泵置于注射器内，双通道微量注射泵用于对注射器施加压力。

其中，顶端加热装置30是藤仓62s熔接机。

在本发明实施例中，使用紫外固化胶将石英管20的第一端a1与注射器的注射口密封连接，然后将石英管20的第二端a2放入水中，利用双通道微量注射泵对注射器施加压力，该压力施加于石英管20中，看到石英管20的第二端a2有气泡冒出，则可以验证石英管20可以正常导通气流。然后，使用光纤切割刀将石英管20的第二端a2切平，将切平的第二端a2放入藤仓62s熔接机中，利用藤仓62s熔接机对切平的第二端a2进行加热处理(多次放电，放电参数为100毫安，1000毫秒)，直到切平的第二端a2受热熔融封闭。然后，再次利用双通道微量注射泵对注射器施加压力，该压力经过注射器施加于石英管20中，施加压力的同时，利用藤仓62s熔接机对受热熔融封闭的一端进行加热处理(多次放电，放电参数为600毫安，600毫秒)，观察受热熔融封闭的一端的膨胀情况，并实时调整对注射器施加的压力大小及藤仓62s熔接机的放电量大小和放电量时间，直到受热熔融封闭的一端膨胀成均匀平整的球形薄膜结构。

所述运动控制装置40的第一端b1与包含球形薄膜结构的石英管20的侧端夹持连接，所述运动控制装置40的第二端b2与所述光耦合装置50的第一端c1夹持连接，所述运动控制装置40用于控制包含球形薄膜结构的石英管20的侧端与所述光耦合装置50的第一端c1水平对齐，以形成法布里-珀罗干涉仪，其中，所述侧端为球形薄膜结构的顶端，所述法布里-珀罗干涉仪包括所述侧端、所述光耦合装置50的第一端c1、及之间的立体空间；

其中，石英管20的第二端a2受热熔融封闭后，再对受热熔融封闭的第二端a2进行加热处理，受热熔融封闭的第二端a2会膨胀成均匀平整的球形薄膜结构，该球形薄膜结构呈半球形，将该半球形的顶点周围的薄膜结构表示为球形薄膜结构的顶端。因此，在附图1中，看到的是石英管20的第二端a2与光耦合装置50的第一端c1之间通过虚线连接，其实该虚线表示包含球形薄膜结构的石英管20的侧端与光耦合装置50的第一端c1水平对齐。

在本发明实施例中，上述运动控制装置40可以是手动运动平台、光纤熔接机、电动控制平台中的任意一种。

光耦合装置50可以是光纤耦合器、光纤环形器、星型光纤耦合器、树型光纤耦合器中的任意一种。

需要说明的是，法布里-珀罗干涉仪包括侧端、光耦合装置50的第一端、及之间的立体空间指的是法布里-珀罗干涉仪包括侧端的薄膜、光耦合装置50的第一端的薄膜、及之间的立体空间。

所述光耦合装置50的第二端c2与所述光源装置60相连接，所述光耦合装置50的第三端c3与所述光谱采集装置70相连接，所述光源装置60向所述光耦合装置50发射光源，所述光源经过所述光耦合装置50的第二端c2导入所述法布里-珀罗干涉仪内，在被所述侧端的薄膜反射后，形成光谱，所述光谱返回所述光耦合装置50内，并经过所述光耦合装置50的第三端c3传送至所述光谱采集装置70，所述光谱采集装置70对所述光谱进行分析处理，确定所述侧端的薄膜的厚度，将满足预设厚度条件的侧端的薄膜确定为所述微米级石英薄膜。

在本发明实施例中，光源装置60可以是受激自发辐射光纤光源、超连续光源、可调谐激光器、扫描激光器中的任意一种。

光谱采集装置70可以是衍射光栅光谱仪、棱镜光谱仪、干涉光谱仪、微型光谱仪、光栅解调仪中的任意一种。

在本发明实施例中，光谱采集装置70对光谱进行分析处理，得到侧端的薄膜的厚度，若侧端的薄膜的厚度满足预设厚度条件，则将侧端的薄膜确定为微米级石英薄膜，若侧端的薄膜的厚度不满足预设厚度条件，则再次利用双通道微量注射泵对注射器施加压力，该压力经过注射器施加于石英管20中，施加压力的同时，利用藤仓62s熔接机对侧端进行加热处理，并利用光谱采集装置70对光谱进行分析处理，得到侧端的薄膜的厚度，直到侧端的薄膜的厚度满足预设厚度条件，将满足预设厚度条件的侧端的薄膜确定为微米级石英薄膜。

其中，该预设厚度条件表示一个数值或者一个范围值，例如，若预设厚度条件为1um，则满足预设厚度条件表示侧端的薄膜的厚度为1um；若预设厚度条件为1um～2um，则满足预设厚度条件表示侧端的薄膜的厚度需要在1um～2um之间。该预设厚度条件可根据实际需求进行修改。

在本发明实施例中，利用压力装置10向石英管20的第一端a1进行加压处理，利用顶端加热装置30向石英管20的第二端a2进行加热处理，石英管20经过加压处理和加热处理后，会形成包含球形薄膜结构的石英管20，利用光谱采集装置70确定包含球形薄膜结构的石英管20的侧端的薄膜的厚度，若该厚度不满足预设厚度条件，则利用压力装置10继续加压处理及利用顶端加热装置30继续加热处理，直到侧端的薄膜的厚度满足预设厚度条件，得到所需要的微米级石英薄膜，通过上述方式制备的微米级石英薄膜比端面研磨法和气相沉积法制备的微米级石英薄膜更加均匀平整，且因为不需要研磨，所以操作更加简单，因制备过程中只需要进行加压处理和加热处理，不存在易燃、易爆或有毒气体，所以不需采取防止环境污染措施，降低成本。

请参阅图2，图2为本发明第二实施例提供的一种微米级石英薄膜制备方法的流程示意图，所述制备方法用于本发明第一实施例所述的制备装置，所述方法包括以下步骤：

步骤201、对石英管20进行加压处理及加热处理，得到包含球形薄膜结构的石英管20；

进一步的，请参阅图3，为图2所示实施例中的步骤201的细化步骤的流程示意图，包括：

步骤301、利用顶端加热装置30对所述石英管20的第二端a2进行加热处理，使所述石英管20的第二端a2受热熔融封闭；

在本发明实施例中，对石英管20的第二端a2进行平整处理，将平整处理后的石英管20的第二端a2置于顶端加热装置30内，利用顶端加热装置30向平整处理后的石英管20的第二端a2进行加热处理，使石英管20的第二端a2受热熔融封闭。

步骤302、利用压力装置10对第二端a2受热熔融封闭的石英管20的第一端a1进行加压处理，同时利用所述顶端加热装置30对所述石英管20的受热熔融封闭的一端进行加热处理，得到包含球形薄膜结构的石英管20。

在本发明实施例中，首先利用顶端加热装置30对石英管20的第二端a2进行加热处理，使石英管20的第二端a2受热熔融封闭，然后利用压力装置10对第二端a2受热熔融封闭的石英管20的第一端a1进行加压处理，同时利用顶端加热装置30对石英管20的受热熔融封闭的一端进行加热处理，使得受热熔融封闭的一端形成球形薄膜结构，从而形成包含球形薄膜结构的石英管20。具体操作过程为：首先将压力装置10与石英管20的第一端a1相连接，然后将石英管20的第二端a2放入水中，利用压力装置10向石英管20施加压力，看到石英管20的第二端a2有气泡冒出，则可以验证石英管20可以正常导通气流。然后，使用光纤切割刀将石英管20的第二端a2切平，将切平的第二端a2放入顶端加热装置30内，利用顶端加热装置30向切平的第二端a2进行加热处理(多次放电，放电参数为100毫安，1000毫秒)，使石英管20的第二端a2受热熔融封闭。然后，再次利用压力装置10对第二端a2受热熔融封闭的石英管20的第一端a1进行加压处理，施加压力的同时，利用顶端加热装置30对石英管20的受热熔融封闭的一端进行加热处理(多次放电，放电参数为600毫安，600毫秒)，观察受热熔融封闭的一端的膨胀情况，并实时调整施加压力大小，及顶端加热装置的放电量大小和放电量时间，直到受热熔融封闭的一端膨胀成均匀平整的球形薄膜结构。

步骤202、利用运动控制装置40将包含球形薄膜结构的石英管20的侧端与光耦合装置50的第一端水平对齐，以形成法布里-珀罗干涉仪，其中，所述侧端为所述石英管20经过加压处理及加热处理形成的球形薄膜结构的顶端，所述法布里-珀罗干涉仪包括所述侧端、所述光耦合装置50的第一端、及之间的立体空间；

在本发明实施例中，法布里-珀罗干涉仪包括侧端、光耦合装置50的第一端、及之间的立体空间指的是法布里-珀罗干涉仪包括侧端的薄膜、光耦合装置50的第一端的薄膜、及之间的立体空间。

步骤203、光源装置60向所述光耦合装置50发射光源，所述光源经过所述光耦合装置50的第二端c2导入所述法布里-珀罗干涉仪内，在被所述侧端的薄膜反射后，形成光谱，所述光谱返回所述光耦合装置50内，并经过所述光耦合装置50的第三端c3传送至光谱采集装置70；

步骤204、所述光谱采集装置70对所述光谱进行分析处理，确定所述侧端的薄膜的厚度，并将满足预设厚度条件的侧端的薄膜确定为所述微米级石英薄膜。

进一步的，请参阅图4，为图2所示实施例中的步骤204的细化步骤的流程示意图，包括：

步骤401、所述光谱采集装置70对所述光谱进行分析处理，得到所述光谱的波长和所述法布里-珀罗干涉仪的自由光谱程；

步骤402、利用所述光谱的波长、所述自由光谱程及所述法布里-珀罗干涉仪的腔内折射率确定所述侧端的薄膜的厚度。

在本发明实施例中，利用光谱采集装置70对光谱进行分析处理，得到光谱的波长，及法布里-珀罗干涉仪的自由光谱程，然后利用公式l＝λ²/2nδλ确定侧端的薄膜的厚度。

其中，l为侧端的薄膜的厚度，λ为光谱的波长，δλ为法布里-珀罗干涉仪的自由光谱程，n为法布里-珀罗干涉的腔内折射率，n为法布里-珀罗干涉的自身属性。

请参阅图5，图5为本发明第三实施例提供的一种微米级石英薄膜制备方法的流程示意图，所述制备方法用于本发明第一实施例所述的制备装置，所述方法包括以下步骤：

步骤501、对石英管20进行加压处理及加热处理，得到包含球形薄膜结构的石英管20；

步骤502、利用运动控制装置40将包含球形薄膜结构的石英管20的侧端与光耦合装置50的第一端c1水平对齐，以形成法布里-珀罗干涉仪，其中，所述侧端为所述石英管20经过加压处理及加热处理形成的球形薄膜结构的顶端，所述法布里-珀罗干涉仪包括所述侧端、所述光耦合装置50的第一端c1、及之间的立体空间；

步骤503、光源装置60向所述光耦合装置50发射光源，所述光源经过所述光耦合装置50的第二端c2导入所述法布里-珀罗干涉仪内，在被所述侧端的薄膜反射后，形成光谱，所述光谱返回所述光耦合装置50内，并经过所述光耦合装置50的第三端c3传送至光谱采集装置70；

在本发明实施例中，上述步骤501、步骤502及步骤503描述的内容与本发明第二实施例中的步骤201、步骤202及步骤203描述的内容一致，此处不再加以赘述。

步骤504、所述光谱采集装置70对所述光谱进行分析处理，确定所述侧端的薄膜的厚度；

步骤505、判断所述侧端的薄膜的厚度是否满足所述预设厚度条件；

步骤506、若所述侧端的薄膜的厚度满足所述预设厚度条件，则执行所述步骤508；

其中，该预设厚度条件表示一个数值或者一个范围值，例如，若预设厚度条件为1um，则满足预设厚度条件表示侧端的薄膜的厚度为1um；若预设厚度条件为1um～2um，则满足预设厚度条件表示侧端的薄膜的厚度需要在1um～2um之间。该预设厚度条件可根据实际需求进行修改。

步骤507、若所述侧端的薄膜的厚度不满足所述预设厚度条件，则在对包含球形薄膜结构的石英管20同时进行加压处理及加热处理后，返回执行所述步骤505；

步骤508、将满足预设厚度条件的侧端的薄膜确定为所述微米级石英薄膜。

在本发明实施例中，在侧端的薄膜的厚度不满足预设厚度条件时，对包含球形薄膜结构的石英管20同时进行加压处理及加热处理，并继续判断侧端的薄膜的厚度是否满足预设厚度条件，直到得到满足预设厚度条件的侧端的薄膜，并将满足预设厚度条件的侧端的薄膜确定为需要制备的微米级石英薄膜。通过上述方式制备的微米级石英薄膜比端面研磨法和气相沉积法制备的微米级石英薄膜更加均匀平整，且因为不需要研磨，所以操作更加简单，因制备过程中只需要进行加压处理和加热处理，不存在易燃、易爆或有毒气体，所以不需采取防止环境污染措施，降低成本。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种微米级石英薄膜制备装置及其制备方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，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。