一种制作蓝宝石光纤纤芯的飞秒激光刻蚀方法

1.本发明涉及一种制作蓝宝石光纤纤芯的飞秒激光刻蚀方法，属于光纤传感领域。


背景技术：

2.高温恶劣环境下物理参数的测量在航空航天，能源采集，环境监测，冶金制造等领域有着广泛的需求，尤其是在航空发动机，重型燃气轮机，高超声速飞行器及火箭发动机等动力设备，工作温度接近1700℃。蓝宝石作为一种耐高温材料，其熔点在2043℃，制作成光纤之后其正常工作温度能达到1800℃。但是蓝宝石光纤是一种多模光纤，其波导形式是以自身为纤芯，空气为包层，很难实现单模或者少模传输，使用蓝宝石光纤构成光纤干涉型传感器，所形成的干涉信号包含模式耦合，模间干涉等影响，增加了信号的复杂度，不利于干涉信号的解调。
3.为了使得蓝宝石光纤所制作的干涉型光纤传感器，产生质量更高的干涉信号，更有助于解调。弗吉尼亚理工大学的王安波等人，通过浓硫酸浓磷酸的3:1混合液，在330℃的高温下腐蚀了42.5小时，将芯径为125μm的蓝宝石光纤腐蚀到9.6μm，以实现准单模传输，从而提高了信号质量(yang,shuo,etal."fiberbragggratingfabricatedinmicro-single-crystalsapphirefiber."opticsletters43.1(2018):62-65.)。该化学腐蚀的工艺危险性较高，并且刻蚀速率较慢，得到的极细纤芯的蓝宝石光纤非常脆弱，不利于进行传感器的制作。美国伊利诺伊大学的p.dragic等人，通过在蓝宝石光纤外层加入石英，使得外部石英材料作为蓝宝石光纤的包层，蓝宝石光纤本身作为纤芯，从而提高光纤的耦合效率，降低传输损耗(dragic,p.,etal."sapphire-derivedall-glassopticalfibres."naturephotonics6.9(2012):627-633.)。该方法需要将蓝宝石预制棒与石英套管结合之后再进行光纤拉制，对光纤拉制设备和拉制工艺要求极高。美国匹兹堡国家能源技术实验室s.bera等人通过溶胶-凝胶法，采用铝酸镁尖晶石制备蓝宝石光纤包层(bera,s.,etal."fabricationandevaluationofsapphirefibercladdingviamagnesiumaluminatespinelsol-gelbasedapproaches."fiberopticsensorsandapplicationsxvi.vol.11000.internationalsocietyforopticsandphotonics,2019.)。该方法得到的蓝宝石光纤包层很薄且很难保证均一性。美国俄亥俄州立大学b.a.wilson等人通过离子注入的方式，将6li(n,α)3h注入到蓝宝石光纤中制作出了纤芯(wilson,brandonaugustus,etal."modelingofthecreationofaninternalcladdinginsapphireopticalfiberusingthe6li(n,α)3hreaction."journaloflightwavetechnology36.23(2018):5381-5387.)，该方法工艺复杂，成功率较低，所形成的纤芯不均匀。以上提高蓝宝石光纤传光效率的方法其工艺都十分复杂，对实验设备，制作要求都很高，并且也很难保证一个稳定一致的结果。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决单晶蓝宝石光纤传输损耗大，传输光信号模式复杂，所形
成的干涉信号信噪比低的问题，提出了一种制作蓝宝石光纤纤芯的飞秒激光刻蚀方法，该方法制作难度小，制作出的蓝宝石光纤一致性好，有效的提高了蓝宝石光纤的传输效率，降低了传输损耗，抑制传输光中的高阶模式。
5.为了实现发明目的，本发明采用的技术方案是：一种制作蓝宝石光纤纤芯的飞秒激光刻蚀技术，在蓝宝石光纤内部通过飞秒激光刻蚀出一条改性线，使得改性线与四周其他位置产生微小的折射率差，从而符合弱导光纤结构，将光能量束缚在改性线部分，提高传输效率。
6.作为一种优选方案：所述飞秒激光刻蚀技术的操作步骤如下：
7.(1)采用去离子水清洗，将蓝宝石光纤表面的杂质和残留物去除；
8.(2)将光纤水平放置于飞秒激光加工平台，并调整激光光斑的位置，使其聚焦于光纤表面；
9.(3)将光斑聚焦在蓝宝石光纤内部，聚焦位置在光纤横截面的圆心处，调整飞秒激光功率，设置扫描速度，使三维平移台沿光纤轴向进行移动，在蓝宝石光纤内部刻写出一条改性线。
10.本发明专利较现有技术有以下有益效果：
11.1.本发明在蓝宝石光纤中心位置刻蚀出了纤芯，增大了光纤纤芯位置的折射率，使得蓝宝石光纤形成了弱导光纤，提高了光纤的传输效率，降低了传输损耗，现有其他技术难以实现该效果。
12.2.本发明采用飞秒激光微纳加工工艺，能做到纳米级的加工，保证了加工精度，并且其精准的刻蚀，使得刻蚀出的纤芯一致性好，传输效率沿光纤轴向能保持一致。
13.3.本发明制作出的蓝宝石光纤没有其他元素材料的混合，能够充分发挥蓝宝石材料本身的耐高温特性。
附图说明
14.图1为本发明所述的飞秒激光加工蓝宝石光纤系统图；
15.图2为本发明所述的蓝宝石光纤纤芯端面图；
16.图3为本发明所述的蓝宝石光纤纤芯侧面图；
17.图4为本发明所述的蓝宝石光纤纤芯立体图；
18.图5为本发明所述的蓝宝石光纤纤芯传输光的rsoft仿真图；
19.图6为本发明所述的蓝宝石光纤纤芯显微图。
20.图中：1-激光光束；2-物镜；3-蓝宝石光纤；4-激光加工平台；5-纤芯；6-光纤包层。
具体实施方式
21.为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
22.实施例：
23.一种制作蓝宝石光纤纤芯的飞秒激光刻蚀技术，其制作步骤包含：
24.(1)采用去离子水清洗，将蓝宝石光纤3表面的杂质和残留物去除。
25.(2)所采用的飞秒激光波长为800nm，脉宽为35fs，重频1000hz。所述的蓝宝石光纤
为75μm，物镜采用的是20倍光学显微物镜，将光纤水平放置于飞秒激光加工平台4，通过物镜2将飞秒激光光束1聚焦，调整聚焦光斑的位置，使其聚焦于光纤内部，并且保证光斑位置在光纤横截面的中心，如图1所示。
26.(3)将飞秒激光功率设置为1mw，刻蚀宽度为8μm，沿光纤轴向刻蚀长度为10mm。使三维平移台沿光纤轴向进行移动，在蓝宝石光纤内部刻写出一条改性线，从而形成纤芯5，未被刻蚀的部分保持原状，构成光纤包层6，如图2、3、4所示。
27.对刻蚀结构进行rsoft光束传输模型仿真，如图5所示，传输光被极大程度上限制在光纤纤芯中，能量集中，并且光纤中主要为低阶模式。实际制作出的结构如图6所示。
28.蓝宝石光纤中心位置经过飞秒激光刻蚀之后，其晶格结构会发生变化，导致其折射率有所增加，量级在10-3
，改性之后，其纤芯位置比周围折射率略高，从而构成弱导光纤结构，所形成的波导能够将传输光极大的束缚在光纤中心位置，提高了传输效率，抑制了高阶模式。
29.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。