[发明专利]一种锥形微纳光纤制备装置及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微纳光纤的制造调控技术领域，具体涉及一种锥形微纳光纤制备装置及制备方法。

背景技术

目前光子器件的研究已经朝着器件集成化、微型化方向发展。微纳光纤是制备光子器件的基本元件，如何有效减小微纳光纤尺度是有源光子器件集成化、微型化的有效途径之一。锥形微纳光纤因为其直径随着光纤呈线性变化，其光纤锥区具有耦合、偏振、传输和调制特性，所以在微纳光学、近场光学、光纤传感与检测等领域均有应用。

制备锥形微纳光纤通常采用熔融拉锥法，首先需要对光纤局部加热，当光纤加热段处于熔融状态时在光纤两端施加拉力，光纤将沿轴向变细，最后形成断面，从而得到腰部直径为微纳级别、带有腰椎的微纳光纤。熔融拉锥法具有制备过程简单、锥形表面光滑以及制作成本低等优点，但是，光纤加热段受热不均导致锥形微纳光纤出现不对称结构，利用手工拉制锥形微纳光纤需要操作人员具备熟练的操作技能才能制备出理想的锥形光纤，且加热温度、拉制速度、环境温度和环境气流等条件也影响拉锥的效果，轻微的环境气流波动就会造成光纤锥区断裂，制造过程不可控因素较多导致光纤品质波动大，难以实现规模化生产。（Tong L M，Gattass R R，Ashcom J B，et al．Subwavelength-diameter silica wires for low-loss optical wave guiding．Nature，2003，426(6968)：816-819）（张羽，微纳光纤器件及其在全光信号处理中的应用[D]． 武汉：华中科技大学，2010年）。聚合物蘸取法也能锥形微纳光纤，将单模光纤末端浸入熔融状态的光纤聚合物中，然后快速垂直提起，此种方法制备的微纳光纤品质理想，但是其单模光纤与微纳光纤之间的腰椎品质很不理想。

发明内容

解决上述技术问题，本发明提供了一种锥形微纳光纤制备装置，其结构简单，装配方便，能够利用静电场力的拉伸作用对附着在棒形光纤末端的光纤原料液滴进行静电拉伸，从而拉制出锥形微纳光纤，实现快速制备出形状高精度的锥形微纳光纤。

本发明还提出一种新型的锥形微纳光纤制备方法，利用静电场力来拉伸棒形光纤制备出锥形微纳光纤，通过调节静电场力的大小可以对锥形微纳光纤的锥度进行精确控制。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种锥形微纳光纤制备装置，包括光纤夹具、料管、定位板、气动装置、环形电极、电极板和高压电源，光纤夹具设置于料管上方，棒形光纤设置于料管内，所述棒形光纤顶端伸出料管顶部，所述棒形光纤顶端通过光纤夹具夹持固定，定位板嵌设于料管内壁，所述定位板中心开设有供棒形光纤通过的通孔，所述棒形光纤穿过该通孔并与定位板固定连接，所述料管底部连接有管口，所述棒形光纤底端伸出管口，所述料管位于定位板的上方开设有气孔，所述气动装置通过气孔与料管相连通，所述定位板上分布有多个流体通孔，所述环形电极设置在管口下方，所述电极板设置在环形电极下方，所述环形电极和电极板均与高压电源电性连接，所述管口接地，所述管口与电极板之间形成强电场，该强电场用于拉伸悬挂在棒形光纤末端的光纤原料液滴，光纤原料在电场力的作用下在棒形光纤末端形成腰部直径为微纳级别、带有腰椎的微纳光纤，其腰椎部分就是锥形微纳光纤。

进一步的，所述棒形光纤和料管同轴配合，所述定位板与料管内壁过盈配合连接，所述棒形光纤与定位板通孔过盈配合连接。

进一步的，所述环形电极包括多个环形电极，多个环形电极从上至下依次排列在管口下方，形成多层环形电极。

更进一步的，所述环形电极的个数为1-5个，每一环形电极均与高压电源电性连接，

进一步的，所述流体通孔是采用阵列形式均匀分布在定位板上。

进一步的，还包括料管端盖，所述料管端盖横截面为π形，其下部与料管内壁过盈配合固定连接，其上部与料管上端沿紧密配合。

进一步的，棒形光纤末端伸出料管管口的长度范围为5mm~10mm。

进一步的，棒形光纤末端与管口之间的径向间隙为50~500μm。

进一步的，料管管口内径优选210~1500μm。

进一步的，相邻环形电极之间的竖直距离为1cm~3cm，最底层环形电极与电极板之间的竖直距离为1cm~3cm。

进一步的，所述管口与电极板之间的竖直距离为1cm~5cm。

一种新型的锥形微纳光纤制备方法，适用于上述装置，包括以下步骤：

步骤1：将光纤原料灌入料管内，盖好料管端盖，保证料管内部的气密性；