一种基于飞秒激光的光纤探针式微流道超短布拉格光栅制备方法技术

本发明专利技术属于光纤器件制作技术领域，公开了一种基于飞秒激光的光纤探针式微流道超短布拉格光栅（ultra

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞秒激光的光纤探针式微流道超短布拉格光栅制备方法


[0001]本专利技术属于光纤器件制作
，涉及一种基于飞秒激光的光纤探针式微流道超短布拉格光栅（ultra
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short fiber Bragg grating，ultra
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short FBG）制备方法。

技术介绍

[0002]光纤传感器凭借自身的质量轻、结构紧凑、抗腐蚀、抗电磁干扰等特点，与传统的电子传感器相比在一些领域表现出了明显的优势，如人体疾病检测、海洋复杂难测参数检测、电场测量等。目前研究最多的全光纤传感器主要为干涉型光纤传感器和光纤光栅传感器，其中干涉型光纤传感器可以分为法布里
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珀罗干涉仪、马赫曾德尔干涉仪、萨格纳克干涉仪和迈克尔逊干涉仪，光纤光栅传感器可以分为长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅。在2003年， S. J. Mihailov 等人首次在非敏化的普通通信光纤中采用相位掩模板法，与 800nm IR 飞秒激光相结合，成功刻写 FBG。在2004年， A. Martinez 等人首次利用逐点写入法，与IR 飞秒激光相结合，在非敏通信单模光纤中分别刻写了一阶、二阶和三阶的 FBG。光纤布拉格光栅是一种非常重要的光纤器件，与其它类型的光纤传感器相比更加易于解调、稳定性更佳，在光纤传感、光纤通信等领域有着重要的应用。传统的制备FBG是通过紫外光透过掩膜板辐照光纤实现的，该制备方法的灵活性比较差，随着飞秒激光的发展，采用飞秒激光直写FBG的方式逐渐成熟。但是这两种方式制备的FBG长度一般超过2000微米，FBG在折射率测量时，很难实现点式测量且灵敏度不高。在实际应用中，如人体细胞检测，传感器既要尺寸紧凑，又要灵敏度高和稳定性强。因此，如何简单、高效的制备结构紧凑、高灵敏度的光纤布拉格光栅，已成为光纤FBG器件制作
的一个重点研究方向。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决了光纤FBG制作困难，体积较大、灵敏度低等问题，提出了一种结构紧凑、高灵敏度、可批量生产、性能稳定的基于微型探针的超短光纤布拉格光栅，在基于光栅的光纤传感器的生产及应用过程中起着至关重要的作用。采用单模光纤拉锥、放电熔接及飞秒激光刻蚀微流道方法制作基于微型探针的超短FBG。微型探针的尺寸可以通过调节熔接机的放电强度、放电时间、放电次数，两侧电极的移动时间、移动距离得以控制。微型探针中刻写的超短FBG的周期和周期的个数可以通过调节飞秒激光的刻写路径得以控制。该方法具有制备重复性高、操作简单、设计灵活的优点。
[0004]本专利技术的具体技术方案为：一种基于飞秒激光的光纤探针式微流道超短布拉格光栅制备方法，包括如下步骤：（1）在单模光纤的轴向中心处放电、拉锥并熔断，得到两个单侧锥形光纤；（2）将左侧锥形光纤替换为单模光纤，调整单侧锥形光纤和单模光纤的位置，放电熔接，在单模光纤的端面出现微型探针；
（3）带有微型探针的单模光纤被放置在飞秒激光的三维移动平台上，设置飞秒激光的功率、频率、波长和激光焦点移动路径，将微型探针尖端斜切成45
°
角，调整飞秒激光参数，构成超短FBG的微流道被刻蚀在微型探针中，得到目标参数的基于微型探针的超短光纤布拉格光栅。
[0005]上述步骤（1）、（2）中所述的放电操作和步骤（2）中所述的位置调整是通过熔接机完成的。上述步骤（3）中所述的微型探针尖端被斜切成45
°
角和构成超短FBG的微流道被刻蚀在微型探针中，是通过飞秒激光完成的。
[0006]本专利技术具有以下有益效果：（1）本专利技术中利用熔接机进行拉锥及熔锥，放电强度、放电时间、放电次数，两侧电极的移动距离均可以通过程序灵活控制。
[0007]（2）本专利技术中利用飞秒激光将微型探针尖端斜切成45
°
角，有效防止了引入不必要的干涉。
[0008]（3）本专利技术中利用飞秒激光将构成超短FBG的微流道刻蚀在微型探针中，光纤光栅的周期及周期个数可控，程序控制激光焦点移动路径，制备重复性极高。
附图说明
[0009]图1是基于微型探针的超短光纤光栅的结构示意图。
[0010]图2是微型探针的制备流程图。
[0011]图3 (a)、(b)分别是周期数为11和28的超短FBG的显微镜图及形成的光谱图。
[0012]图4 (a)、(b)分别是超短光纤光栅的光谱随折射率变化的响应情况及拟合曲线。
具体实施方式
[0013]为使上述目的、优点更加易懂，下面结合附图以及具体实施方式对本专利技术进一步说明。
[0014]本专利技术具体实施过程如下：该传感器的制作大致需要三个步骤，分别是微探针的制作、微探针尖端的斜切和超短光纤光栅的刻蚀。在制作微探针的过程中，将单模光纤多次拉锥、熔接，最终成功制作出长度约200μm、直径约30μm的微探针。熔接机参数设置为：放电时间5000ms，放电强度3unit，Z轴拉距离1000μm，首次拉锥效果如图2 (a)所示。然后，将右侧光纤夹具打开，左侧夹具向左移动150μm，移动后光纤位置如图2(b)所示。随后，进行第二次放电拉锥，锥腰熔断，得到直径较小的单侧锥与直径较大的单侧锥。将直径较小的单侧锥替换为单模光纤，使得单模光纤端面距离放电中心150μm，如图2(c)所示。最后,进行第三次放电拉锥 ,微探针被熔接在单模光纤的端面,如图2所示(d)。为了避免微探针尖端产生衍射，利用飞秒激光将微探针尖端加工成一个45
°
倾角的斜面。实验中使用的飞秒激光器中心波长为520nm，频率为10kHz，功率为10 μw。采用自下而上逐行切割方法，激光焦点的扫描速度为48μm/s。在超短光纤光栅的刻蚀过程中，飞秒激光的频率和功率分别调整为5 kHz和2μw。在一个平面上沿Y方向依次扫描29条线，每条线的扫描长度为6μm，线与线间隔为5.35μm，激光焦点的扫描速度设置为20 μm/s。一个平面扫描结束后，激光焦点沿Z轴方向向下移动0.5μm，继续扫描下一个平面，直至60个平面全部扫描完毕，超短FBG完成制备。通过调整平面扫
描线的数量，可以制作出不同周期数的超短FBG。周期为11和28的超短FBG的光谱及显微镜图如图3(a)、(b)所示。
[0015]超短FBG对折射率变化的响应如图4(a)所示。对实验数据进行拟合，拟合曲线如图4(b)所示。在折射率1.3323~1.378范围内，传感器的灵敏度可以达到600.5622nm/RIU。据我们所知，这是光纤光栅结构在测量折射率时达到的最高灵敏度。在确保高灵敏度的同时，该结构表现出高线性度（R
2 = 0.9986）。同一个传感器进行四次相同的测量，每次测量的时间间隔为1小时，误差信息可以用图 4(b)中的误差棒来表征。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于飞秒激光的光纤探针式微流道超短布拉格光栅制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在单模光纤的轴向中心处放电、拉锥并熔断，得到两个单侧锥形光纤；（2）将左侧锥形光纤替换为单模光纤，调整单侧锥形光纤和单模光纤的位置，放电熔接，在单模光纤的端面出现微型探针；（3）带有微型探针的单模光纤被放置在飞秒激光的三维移动平台上，设置飞秒激光的功率、频率、波长和焦点移动路径，将微型探针尖端斜切成45
°
角，调整飞秒激光参数，构成超短FBG的微流道被刻蚀在微型...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈茂庆，贺同月，赵勇，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：