[发明专利]化学腐蚀法制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于光电器件技术领域，特别涉及了一种利用步进电机精确控制刻写有光纤光栅的光纤在化学腐蚀溶液中的提升速度来实现低损耗微纳光纤光栅传感器的方法，以及实现该方法的装置。

背景技术

微纳光纤的直径在微米量级、与通信波段波长相当，具有很强的倏逝场和较高的光功率密度。微纳光纤传输的光场与周围的被测样品有很强的光物质作用以及较长的作用距离，因而能够实现高灵敏度的光学传感。但是单一的微纳光纤传感器是基于外界样品折射率变化引起探测光强变化的透射式光强调制型传感器，容易受到光源稳定性等因素的影响。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating，FBG）是在光纤纤芯内引入周期性的折射率调制，通过检测外界产量引起的布拉格中心波长的变化能够实现温度、浓度、应力、拉力、弯曲等物理量的测量，是一种实用的反射式波长调制传感器。微纳光纤与光纤布拉格光栅结合的微纳光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、体积小、高灵敏度、高稳定性等优点，具有广泛的应用前景。

化学腐蚀制备微纳光纤光栅的方法是利用氢氟酸腐蚀预先写有光纤光栅的光纤，直到光栅区域的直径达到微米量级。化学腐蚀的方法相比在微纳光纤上刻写光栅结构等方法具有实验设备简单、易于调节和适合大批量生产等优点。但是一般腐蚀过程中会引起光纤渐变区域的不对称和折射率突变以及光纤表面的不光滑，从而导致较大的光学损耗，严重限制了腐蚀制备微纳光纤光栅传感器的最小直径和信噪比。因此，在腐蚀过程中通过对光纤渐变区域和光纤表面光滑度进行优化，来获得低损耗的微纳光纤光栅传感器是十分必要的。

经检索发现，中国专利申请号为：201020256618.1，名称为：一种基于光纤布拉格光栅的折射率传感器，该技术包括一个宽带光源、3-dB光纤耦合器、经腐蚀后的光纤布拉格光栅和光谱仪，其中经腐蚀后的光纤布拉格光栅是指被氢氟酸腐蚀掉包层的光纤布拉格光栅。但是该技术说明了微纳光纤光栅在传感领域的应用能力，但并未考虑腐蚀过程中产生的较大光学损耗问题。由实验得知，这种方法无法获得非常细的微纳光纤光栅，因而限制了微纳光纤光栅传感器的探测灵敏度；同时较大传输损耗引起的较差信噪比也会严重影响微纳光纤光栅传感器的实际探测应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出了一种通过化学腐蚀制备低损耗微纳光纤光栅传感器的方法和装置。本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明中的装置包括宽带光源、光纤环形器、3-dB光纤耦合器、光谱仪、光功率计、步进电机、写有布拉格光栅的光纤和盛有腐蚀溶液的聚四氟乙烯容器。

所述的宽带光源的光信号通过光纤环形器到达光纤布拉格光栅，同时光纤布拉格光栅的反射信号通过光纤环形器输出到3-dB光纤耦合器。

所述的3-dB光纤耦合器将光纤布拉格光栅的反射信号传输到光谱仪和光功率计。

光谱仪实时监测光纤布拉格光栅腐蚀过程中由于外包层和部分纤芯被腐蚀导致的布拉格中心波长的漂移，控制腐蚀获得的微纳光纤光栅的直径大小。

光功率计实时监测光纤布拉格光栅腐蚀过程中反射信号的光强变化。

所述的写有布拉格光栅的光纤的末端竖直浸在盛有氢氟酸溶液的聚四氟乙烯容器中。

所述的写有布拉格光栅的光纤的上端竖直固定在步进电机上。步进电机提升光纤的速度由计算机实时控制。

本发明的方法具体是：

用酒精棉擦拭写有布拉格光栅的光纤，之后将写有布拉格光栅的光纤的末端竖直放置于聚四氟乙烯容器中，其上端竖直固定在步进电机上；

在聚四氟乙烯容器中加入浓度为n%的氢氟酸腐蚀溶液；启动步进电机，以速度V₁提升写有布拉格光栅的光纤，并实时监测光谱仪和光功率计；

在光功率计显示的光强减小时增大步进电机的提升速度到V₂,并以V₂匀速提升有布拉格光栅的光纤；其中V₂ =mV₁， m为n%的氢氟酸腐蚀溶液中光纤纤芯和光纤包层的腐蚀速度比值；

继续腐蚀光纤，布拉格光栅的芯模有效折射率                                               会随着腐蚀进行逐渐减小，从而导致布拉格中心波长向短波漂移，通过光谱仪显示的布拉格中心波长的漂移量决定是否停止腐蚀，其中为布拉格中心波，是布拉格光栅的周期；