[發明專利]一種基于微光纖布拉格光柵微拉力傳感裝置及制備

無效

• 申請號: 201210343840.9
• 申請日: 2012-09-17
• 公開（公告）號: CN102853953A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: 徐飛;羅煒;寇君龍;陸延青;胡偉
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 徐激波

一、技術領域

本發明涉及微光學元件，具體涉及一種利用微加工技術加工非光敏光纖得到的微光纖布拉格光柵微拉力傳感裝置及制備工藝及應用。

二、背景技術

光纖布拉格（Bragg）光柵是沿著長度方向對光纖有效折射率進行周期性調制形成的空間位相光柵，其作用的實質是在光纖內形成一個窄帶的濾光器或反射鏡。自1978年第一只光纖布拉格光柵出現以來，其被廣泛應用于檢測應力、應變、溫度等諸多參量的光纖傳感器和各種傳感網絡中。傳統的光纖布拉格光柵長度為數毫米，直徑為數百微米，較大的尺寸限制了光纖布拉格光柵器件的性能，并使其在折射率傳感和微區探測等應用中遇到難以克服的困難。

隨著低損耗微光纖的出現，問題得以解決。微光纖周圍存在的強倏逝場，使微光纖制成的布拉格光柵器件對環境的折射率變化十分敏感。光纖布拉格光柵與光纖半徑相關的一些性能，例如對外力的靈敏度，也由于微光纖較小的半徑而相應得到較大的提高。微光纖較小的尺寸同時也讓光纖布拉格光柵器件的微型化和集成化成為可能。

此外，微光纖的出現，拓展了光纖布拉格光柵的制備方法。光纖布拉格光柵的制備方法從傳統的相位掩膜法，進一步發展出聚焦離子束（FIB）刻蝕法、飛秒激光輻照法等不依賴光纖光敏性質的微加工制備方法。特別是聚焦離子束刻蝕法引入的強折射率調制，可以有效減少光纖布拉格光柵尺寸，由此方法制備的微光纖布拉格光柵最短可達到10¹~10²μm量級。

目前尚無利用聚焦離子束技術等微加工技術實現的非光敏微光纖布拉格光柵應用于力學傳感的報道。我們正是將此類微光纖布拉格光柵引入微拉力傳感應用中，開創了一種高靈敏度的微型化力學傳感技術。

三、發明內容

本發明目的是：提供一種基于微光纖布拉格光柵的新型傳感器的制備工藝及應用。本發明列出了利用聚焦離子束等微加工技術制備非光敏的微光纖布拉格光柵微拉力傳感器的工藝流程和參數控制，并列舉了該微拉力傳感器的具體應用。本發明能穩定、高效地監測傳感器所受微小拉力，結合相關器件可以實現對力的高精度反饋控制。

本發明的技術方案是：一種基于微光纖布拉格光柵微拉力傳感裝置及制備工藝及應用，包括寬帶光源（例如ASE光源）、光譜分析儀、環路器、微光纖布拉格光柵、拉力施加裝置；微光纖布拉格光柵檢測信號的輸入至環路器及光柵反射信號；光譜分析儀在1525nm~1610nm的范圍內以0.10nm或更高的分辨率對由環路器輸入的布拉格光柵反射信號進行監測；拉力施加裝置通過所施加的拉力或重力施加于微光纖布拉格光柵；寬帶光源從環路器施加于微光纖布拉格光柵，從環路器輸出端的光柵反射信號輸至光譜分析儀。

在實際應用中，可以將拉力施加裝置與檢測對象連接，從而使檢測對象的拉力信號傳導到微拉力傳感器中，還可以根據具體情況改變光譜分析儀的分辨率。

①微光纖的拉制；熱源對光纖局部進行加熱拉錐，拉制成的微光纖由端部、過渡區及腰部三部分共同組成；端部保持標準光纖直徑125微米，與標準光纖器件連接，用于光信號的輸入和輸出；過渡區為圓臺形，直徑由125微米逐步過渡到腰部直徑大小；腰部直徑在數微米至數百納米；②利用聚焦離子束加工技術，在固定于特制樣品臺上的微光纖表面，寫入周期性溝槽結構，引入強有效折射率調制，制成長度較短的光纖布拉格光柵；③在此基礎上，搭建起微拉力傳感器裝置：將微光纖布拉格光柵從特制樣品臺取下，搭建傳感器裝置；

進一步的，在于腰部最小直徑為2±0.2微米的光纖，腰部長約4cm，總損耗約為2dB。

光纖布拉格光柵為周期性溝槽的結構，有關參數為：布拉格光柵的周期為550-600nm，占空比約為1:1，使得布拉格波長能落在1550nm附近。溝槽結構的深度設為50nm，總周期數為70-150。

發明原理：

光纖有效折射率與芯層半徑、包層材料折射率有關。微光纖的包層一般為空氣層，空氣包層折射率確定的情況下，在微光纖表面刻蝕周期性槽型結構，實質上是通過對微光纖半徑即芯層半徑的調制，從而實現對光纖有效折射率的周期性調制。這樣形成的布拉格光柵是結構型布拉格光柵。

光纖布拉格光柵對特定波長的光具有很強的反射作用，這個波長即為布拉格波長λ_B，由布拉格條件描述

λ_B＝2n_effΛ