[发明专利]S形光子晶体光纤锥传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子晶体光纤锥传感器及其制备方法。

背景技术

光子晶体光纤是近些年来出现的新型光波导传输材料，作为传统光纤的替代品，它有着与传统光纤不同的传光机制，同时也表现出优于传统光纤的性能，通过合理的设计可以实现如无尽单模传输、可调节的色散、显著的非线性效应、极低的损耗等特性。利用其制成的光纤传感器件也以结构简单、制作便捷、性能优异等特点而吸引了很多的研究关注。其应用范围广泛，大到桥梁建筑的健康检测，小到医学中的血液检验；其制作方法多样，从简单熔接到复杂的激光微纳加工；其传感机制丰富，囊括了几乎所有已知的干涉类型。

光纤拉锥是最简便的光纤二次加工的方法之一，整个拉制过程用时短、成功率高、制备工艺简单，因此，很早就被用在传统光纤上制作光纤器件。这一工艺被使用在光子晶体光纤上以后，出现了许多新颖的光学现象，并且在传感方面也展示出了非凡的应用潜力，如环境折射率、温度和轴向拉伸应力的传感。

光子晶体光纤拉锥制作传感器从概念到干涉原理再到制备方法，几乎可以完全借鉴传统光纤锥传感器。传统光纤拉锥，按照锥形的不同可分绝热型光纤锥和非绝热型光纤锥，其区别在于锥形部分的形貌。绝热型光纤锥中腰径的减小是一个缓变的过程，这会尽可能的减少光场的损耗，因此称为绝热型光纤锥；非绝热型光纤锥的腰径变化比较快，也有双曲光纤锥、陡变光纤锥的叫法，这种类型的光纤锥能量损失很快，因此称为非绝热型光纤锥。对于光子晶体光纤锥还有一点需要区分，那就是锥形区是否塌孔。不塌孔的光子晶体光纤拉锥工艺要比塌孔光子晶体光纤锥复杂得多，如何在熔融拉锥的高温环境中保护空气孔不塌缩，需要更多的附加工艺，比如充气加压、低温快拉等。加热光纤的方法也有很多，最常用的就是氢氧焰移动加热，这种方法加热的光纤体积较大，适合拉制绝热型光子晶体光纤锥；还有利用电弧放电加热光纤的方法，但是由于加热区域较小只适合拉制非绝热型光子晶体光纤锥；也有利用CO₂激光加热制锥的方法和HF酸微滴腐蚀包层的方法。

利用电弧放电加热光纤的方法制造工艺简单、生产设备普遍、所制备出来的光纤锥传感器传感性能稳定。电弧是两电极之间电场过强击穿空气而形成的高温等离子体区域，其温度可以通过调节输出电流来控制。但是光纤传感器大多结构比较长（如光纤光栅传感器等），而且制备工艺复杂（如刻制光纤光栅等）。

发明内容

针对现有光纤传感器存在的问题，本发明提供了一种制备简单、结构巧妙、传感元件微小，适于微区探测的S形光子晶体光纤锥传感器及其制备方法。

本发明的S形光子晶体光纤锥传感器由光纤经拉锥工艺制成，塌孔区域变形为S形，锥长L=250～350μm，腰径W=80～120μm，偏移距离△d=30～50μm。

本发明的S形光子晶体光纤锥传感器是使用Ericsson FSU975光纤熔接机来进行电弧加热拉锥和光纤之间的熔接的，其整个过程分三步：

一、预热：作为第一阶段的预热过程很短，一般只需1秒钟，但是要求电流较大（如13mA，不能超过15mA），足以软化PCF的材质，令空气孔瞬间塌缩， 破坏PCF的端面结构。为防止软化的PCF在重力作用下变形，可以令电机同步拉伸PCF两端。在第一阶段中，空气孔几乎完全塌缩，但仍可能存在些许痕迹。

二、拉锥：第二阶段即为最关键的拉锥过程，PCF的空气孔完全塌缩，随着锥长的伸长再无空气孔存在痕迹，锥体表面也很光滑。第二阶段为调整PCF锥的腰径和锥长的主要阶段，通过设置不同的拉锥时间（t₂）和放电电流（I₂），可以实现对PCF锥的形貌的控制。时间的长短与电流大小有关系，电流过大，时间就较短。

三、退火：第三阶段为退火阶段，一般设置较小的电流（7mA）和较短的时间（2s），此阶段的主要作用是将拉锥过程中可能出现的未完全塌缩的空气孔彻底熔塌，以避免缺陷的出现。同样，为了避免重力导致的变形，此过程也进行了同步拉伸。

本发明中，使用Ericsson FSU975光纤熔接机来进行电弧加热拉锥和光纤之间的熔接。熔接和拉锥都在同一台机器上完成，大大降低了实验的复杂程度和成本。光纤熔接机作为一种成熟的光纤加工设备，操作的精度很高，而且电极的工作状态稳定，大大提高了实验的准确性和可重复性。另外，熔接机自带的两个角度的摄像头，可以实时监控拉锥过程。