专利名称：石英光纤光栅表面湿化学金属化工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于用湿化学方法对石英光纤光栅表面镀制镍磷合金层及金属层的工艺。
现有技术掺锗并载氢的石英玻璃光纤经过紫外激光辐照，在光纤纤芯内形成光栅，这种光栅被称为光纤光栅。光纤光栅已成为光纤通信和光纤传感领域的重要光学器件。光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域应用时通常需要进行胶粘固定，或在其表面金属化后进行焊接使其固定。
光纤光栅是采用紫外激光辐照掺锗并载氢的石英玻璃光纤制成的，光纤光栅表面金属化的本质就是石英玻璃表面金属化。由于石英玻璃表面光滑，形成金属镀层有一定难度；光纤直径很小，在剥去表面有机保护层后易断；光纤光栅一般是做在长长的一段光纤的中部，因此不能采取在一般的工件上施镀的方法进行操作；在光纤光栅表面进行镀制过程中若处理不当，光纤内将产生应力，光栅的光学参数将发生改变而失去应用价值。
现有的技术将石英玻璃纤表面粗化，通常采用的方法是用含有F-或H2SiF6的水溶液(体积比一般为HF∶H2SiF6∶H2O＝1∶1∶2)对石英玻璃光纤表面进行腐蚀，从而使石英玻璃光纤表面粗化，但该粗化方法对光纤光栅表面有很大的损伤，使其抗拉伸强度降低，而且容易折断，同时也不易于焊接，另外常规化学镀通常要经过氯化亚锡敏化这个步骤，由于氯化亚锡敏化液在空气中容易氧化而失效，所以只能在短时间内使用，因而给连续操作带来不便。
发明内容
本发明目的是采用在石英光纤光栅表面形成无机多孔涂层的方法使其粗化，既在光滑的石英玻璃光纤光栅的表面形成带微孔和微裂纹的无机涂层，能形成“锁扣效应”而对光纤光栅表面也不会造成损伤，由于是采用湿化学方法在石英玻璃光纤表面形成涂层，涂层在干燥处理后，由于水份和其他有机溶剂蒸发，涂层上将形成开口微孔和微裂纹，从而达到粗化的目的。光纤光栅表面形成无机多孔涂层而粗化后，再用氯化钯进行活化。将表面有无机多孔涂层的光纤光栅浸入氯化钯水溶液中，氯化钯水溶液将渗入无机涂层的孔洞和微裂纹中，无机涂层表面有-O-悬空健，由于静电引力的作用，Pd2+离子将吸附到无机涂层孔洞和微裂纹的内壁上。用氯化钯活化后，用氢气或硼氢化钠水溶液进行还原，采用氢气还原的方法是，快速将光纤光栅转移到一个容器中，防止光纤光栅表面无机涂层上的氯化钯水溶液在空气中干燥，迅速通入氢气，关断氢气后保持一定的时间可将Pd2+还原，还原后取出石英光纤光栅，用去离子水反复冲洗涂层，除去表面吸附不牢的Pd，干燥后即可用化学镀的方法镀制镍磷合金层。采用硼氢化钠水溶液还原Pd2+的方法是，从氯化钯水溶液中取出石英光纤光栅后，用硼氢化钠水溶液略加冲洗无机涂层，放入干燥箱中干燥，然后配制硼氢化钠水溶液，将干燥过的光纤光栅放入硼氢化钠水溶液中浸泡，浸泡后取出石英光纤光栅，用去离子水反复冲洗涂层，除去表面吸附不牢的Pd，干燥后在其表面化学镀制镍磷合金层。
本发明与现在常用的技术比较，具有以下特点1、用溶胶对光纤光栅表面进行粗化，可避免强腐蚀性溶液对光纤光栅表面造成损伤而降低其抗拉伸强度，同时可增强钯粒子的附着力，从而增强金属镀层的结合力；2、无机涂层表面-O-悬空健通过静电引力吸引Pd2+，Pd2+渗入到无机涂层孔洞和微裂纹中，还原后能牢固附着在无机涂层上并起催化作用；无机涂层孔洞和微裂纹的“锁扣效应”明显，镀制的金属层与光纤光栅表面的结合力明显优于常规方法的结合力。
图1、石英光纤光栅表面湿化学金属化工艺流程图具体实施方式
首先采用湿化学方法在石英玻璃光纤表面形成无机多孔涂层，由于石英玻璃光纤表面能够和二氧化钛、二氧化硅化学健合，形成Si-O-Ti、Si-O-Si键，因此二氧化钛、二氧化硅多孔涂层可以在石英玻璃光纤表面牢固附着。首先需要制备二氧化钛和二氧化硅溶胶，二氧化钛溶胶可以采用钛酸四丁脂水解制备，采用钛酸四丁脂制备二氧化钛溶胶的步骤是将10-20mL钛酸四丁脂加入3-5mL异丙醇中，将2mL 70％的硝酸加入150mL的去离子水中，再将钛酸四丁脂与异丙醇的混合液缓慢滴加到硝酸的水溶液中，在75-80℃强烈搅拌，形成二氧化钛溶胶。二氧化硅溶胶可通过水解正硅酸乙脂(TEOS)的方法制备。其基本步骤是，以乙醇(EtOH)为溶剂，HCl和NH3·H2O为催化剂，先将H2O和TEOS按2∶1(体积比)混合、搅拌，同时用HCl催化，调节pH＝2.0，2h后加入NH3·H2O和H2O/EtOH溶液(体积比EtOH∶H2O＝1∶1)，调节pH＞7.5，搅拌2h得到二氧化硅溶胶。
二氧化钛、二氧化硅制备后将需要作表面粗化处理的石英光纤光栅用酒精棉球擦拭干净，再用70％的硝酸浸泡5min，用水冲洗干净，浸入二氧化钛或二氧化硅的溶胶中5-10min，取出并放入120℃干燥箱中干燥10-30min，浸镀和干燥过程重复2-6次。制备时第一层必须是二氧化钛，接下来是二氧化硅层，然后二者交替，最外层为二氧化硅层。
光纤光栅表面形成无机多孔涂层而粗化后，再用氯化钯进行活化。将表面有无机多孔涂层的光纤光栅浸入到配制好的0.1-0.3g/L的氯化钯水溶液，将表面有无机多孔涂层的光纤光栅浸入氯化钯水溶液中5-10min，氯化钯水溶液将渗入无机涂层的孔洞和微裂纹中。无机涂层表面有-O-悬空健，由于静电引力的作用，Pd2+离子将吸附到无机涂层孔洞和微裂纹的内壁上。Pd2+可用氢气或硼氢化钠水溶液还原，采用氢气还原的方法是，快速将光纤光栅转移到一个容器中，防止光纤光栅表面无机涂层上的氯化钯水溶液在空气中干燥，迅速通入氢气，关断氢气后保持20-60min，将Pd2+还原。取出光纤光栅，用离子水反复冲洗涂层，除去表面吸附不牢的Pd，干燥后即可用化学镀的方法镀制镍磷合金层。采用硼氢化钠水溶液还原Pd2+的方法是，从氯化钯水溶液中取出光纤光栅后，用去离子略加冲洗无机涂层，放入120℃的干燥箱中干燥10-20min。配制浓度为0.1-2.0g/L的硼氢化钠水溶液，将干燥过的光纤光栅放入硼氢化钠水溶液中2-5min，取出光纤光栅，用去离子水反复冲洗涂层，除去表面吸附不牢的Pd，干燥后在其表面化学镀制镍磷合金层。经过粗化和用氢气或硼氢化钠水溶液还原处理后的光纤光栅可进行化学镀镍和化学镀金。化学镀的方法是将20～35g/L硫酸镍；15～25g/L次亚磷酸钠；分别用去离子水溶解并混合(记此混合液为A)；取3～5ml/L乳酸加水再加入2～6g/L碳酸钠进行搅拌，搅拌后加入3～5g/L氯化铵和1～2mg/L糖精。搅拌均匀得到混合液B。将B液加入A溶液中，边搅拌边加去离子水温度84℃；最后调pH＝4.4-4.8。
实施例化学镀实施例1将30g硫酸镍和20g次亚磷酸钠分别用100mL去离子水溶解并混合(记此混合液为A)；量取4mL乳酸加水至200mL，加入3g碳酸钠，搅拌10min，加入4g氯化铵和1mg糖精，搅拌均匀得到混合液B。将B液加入A溶液中，边搅拌边加去离子水至1000mL，最后调pH＝4.4-4.8。
化学镀镍实施例2镀液配制方法可参考实例1，将乳酸换为柠檬酸钠、乙酸钠具体的参数如下硫酸镍 30g/L；次亚磷酸钠 20g/L；柠檬酸钠20g/L；乙酸钠 10g/L；糖精1mg/L；温度84℃；pH值4.4-4.8在光纤光栅表面镀镍磷合金后，为了改善其可焊性，需要在镍磷合金镀层表面上化学镀金，其参数如下氰化金钾 5g/L；氯化铵24g/L；柠檬酸钠 16g/L；次亚磷酸钠3g/L；碳酸钠6g/L；温度 84℃；pH值 7.0-7.5本发明工艺简单、操作方便，光纤光栅表面上的金属镀层具有很强的附着力和优良的可焊性，可为光纤光栅的金属化封装及实用化打下良好的基础。
权利要求
1.一种石英光纤光栅表面湿化学金属化工艺，其特征在于进行化学镀制前将石英光纤光栅表面形成无机二氧化钛、二氧化硅无机非金属涂层使其粗化，粗化后将表面有无机多孔涂层的光纤光栅浸入氯化钯水溶液中进行活化，氯化钯水溶液将渗入无机涂层的孔洞和微裂纹中，由于静电引力的作用，Pd2+离子将吸附到无机涂层孔洞和微裂纹的内壁上，用氯化钯活化后，用氢气或硼氢化钠水溶液进行还原，还原后取出石英光纤光栅，用去离子水反复冲洗涂层，除去表面吸附不牢的Pd，干燥后即可用化学镀的方法镀制镍磷合金层及金层。
2.根据权利要求1所述的一种石英光纤光栅表面湿化学金属化工艺，其特征在于制备二氧化钛溶胶方法是将10～20mL钛酸四丁脂加入3～5mL异丙醇中，将2mL 70％的硝酸加入150mL的去离子水中，再将钛酸四丁脂与异丙醇的混合液缓慢滴加到硝酸的水溶液中，在75～80℃强烈搅拌，形成二氧化钛溶胶；二氧化硅溶胶是以正硅酸乙酯(TEOS)为原料，乙醇(EtOH)为溶剂，HCl和NH3·H2O为催化剂，先将H2O和TEOS按2∶1(体积比)混合、搅拌，同时用HCl催化，调节pH＝2.0，2h后加入NH3·H2O、H2O/EtOH溶液(体积比EtOH∶H2O＝1∶1)，调节pH＞7.5，搅拌2h得到二氧化硅溶胶。
3.根据权利要求1所述的一种石英光纤光栅表面湿化学金属化工艺，其特征在于二氧化钛或二氧化硅的溶胶浸镀和干燥过程重复2～6次，粗化第一层必须是二氧化钛接下来是二氧化硅层，然后二者交替最外层为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的一种石英光纤光栅表面湿化学金属化工艺，其特征在于化学镀镍液的组成为硫酸镍20～35g/L；次亚磷酸钠15～25g/L；乳酸3～5ml/L；碳酸钠2～6g/L；氯化铵3～5g/L；糖精1～2mg/L。或者，硫酸镍20～35g/L；次亚磷酸钠15～25g/L；柠檬酸钠15～25g/L；乙酸钠8～12g/L；糖精1～2mg/L。
5.根据权利要求1所述的一种石英光纤光栅表面湿化学金属化工艺，其特征在于化学镀金液的组成为氰化金钾4～8g/L；氯化铵20～30g/L；柠檬酸钠10～20g/L；次亚磷酸钠2～6g/L；碳酸钠5～10g/L。
全文摘要
一种石英光纤光栅表面湿化学金属化工艺，即在光滑的石英玻璃光纤光栅的表面形成带微孔和微裂纹的无机涂层，形成“锁扣效应”的涂层在干燥处理后，由于水份和其他有机溶剂蒸发，涂层上将形成开口微孔和微裂纹，从而达到粗化的目的，光纤光栅表面形成无机多孔涂层而粗化后，再用氯化钯进行活化将表面有无机多孔涂层的光纤光栅浸入氯化钯水溶液中，氯化钯水溶液将渗入无机涂层的孔洞和微裂纹中，无机涂层表面有O
文档编号G02B6/122GK1790059SQ20051002008
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月20日 优先权日2005年12月20日
发明者姜德生, 余海湖, 李小甫 申请人:武汉理工大学