[发明专利]在光纤传感器端面沉积金属膜层的方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及以一种在光纤传感器端面沉积金属覆盖层的方法。

背景技术

近几年来，光纤传感器与测量技术已发展成为仪器仪表领域新的发展方向，其原因在于光纤传感器具有其它传感器无法比拟的特点：

(1)优良的传光性能，传光损耗很小(目前损耗能达到≤0.2dB km^-1的水平；

(2)频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好；

(3)体积小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。

此外，光纤传输还具有灵敏度高、可靠性好、原材料硅资源丰富、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可绕曲、防爆等特点。同时，它还便于与计算机相连，进而实现智能化和远距离监控。这些都是对传统传感器功能和性能的扩展与提高，并借此完成前者很难完成甚至不能完成的任务。正是由于光纤传感器所具有的独特优势，已就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。

在光纤传感器的研制中，需要在组成元素光纤的端面上沉积一层金属薄膜形成反射镜。从发射器发出的光束在端面发生镜面反射，即返回接收器，接收和发射在同一个端口，这样提高了灵敏度(如图1所示)。通常，在光纤一端覆盖反射率较高的金属薄膜，利用它传输和收集激光信号，以实现远距离及危险条件下的控制。但是，光纤作为传感器的组成元素，表面积非常小(通常使用芯径大约几微米的单模光纤)，用现有的电子溅射、真空蒸镀的方法在光纤局部涂覆金属膜比较困难(示意图如图2所示)。其主要原因在于这两种方法都需要在真空镀室中、300℃左右的温度下进行镀膜。这样，金属原材料的浪费及操作耗时问题都很严重，当温度超过300℃时，常规的光纤涂覆层由于不能耐高温而容易发脆并断裂；另外，由于光纤一般较长，又不宜弯曲，因此需盘成较大的一卷才能放入真空镀室中，从而造成端面固定的困难。因此亟需研究一种能在常温下进行并且操作简便的涂覆金属膜的方法。

金属膜尤其是Au或Ag膜在可见光和红外区域有良好的反射性能，尤其适用于反射激光。已有报道用直接化学镀Ni的方法在光纤端面获得镜面反射层，光纤待镀表面需经粗化、敏化、活化、还原后实行化学镀。虽然镀Ni层与光纤表面的附着力很强，但端面的外表面层发黑，光反射率较低，测定值为0.2～0.3，不能达到使用要求。另外可以在采用粗化后的光纤端面在60℃下化学镀Ag作为反射面，虽然反射率较高，但镀层的机械性能以及与附着力很差，容易脱落，不可直接使用。而对其热处理后，机械性能提高但反射率降低，无法实现两者的同步增加。

发明内容

针对目前光纤传感器端面金属镀膜层反射率较低、机械性能不高，操作耗时，镀膜随环境变化较大等问题，本发明提供了一种在光纤传感器端面沉积金属膜层的新方法，以解决现有端面沉积技术中的难题，方便快捷，容易操作，机械性能也得到较大提高。

本发明解决以上问题所采用的技术方案是：先对清洗好的光纤传感器的光纤端面进行自组装表面改性，获得一层均匀覆盖的自组装分子层，这层分子与硅表面分子存在键合作用，从而可以较牢固地附着在光纤端部表面，形成化学沉积过程所需的催化剂。自组装分子层有朝向面外的氨基或巯基末端。将此光纤底端在常温下浸泡于催化剂金属纳米溶胶或金属离子盐溶液中进行催化活化，溶胶内所含的纳米金属将与自组装层的氨基或巯基末端通过静电作用紧密地结合在一起，并形成化学镀的催化中心。将经过自组装修饰并活化后的光纤底端浸于化学镀的镀液中，由于纳米粒子或金属离子的催化作用，可以快速的引发化学镀镀液中金属离子的还原，在光纤端面上得到均一光亮牢固的金属镀膜层。

本发明使用的自组装分子可以是3-氨基丙基-三甲氧基硅烷(APTMS)或者3-巯基丙基甲基三甲氧基硅烷(MPTMS)等有机硅烷，自组装所用溶剂可以使用水、乙醇或甲苯。催化剂金属纳米溶胶包括Au、Ag或Pd等贵金属溶胶，金属离子溶液可以是氯化钯、氯钯酸钠等离子盐溶液。溶胶粒径范围为1～100nm，具体根据催化反应类型控制，离子盐溶液的浓度范围为0.5～500mM。常温浸泡进行催化活化，时间范围1～10h。本发明方法可以适用于芯径不同的单膜光纤或多模光纤。

本发明的有益效果：

1.使用“种子生长法”得到金属的沉积层，方法简单，成本低、利于规模加工。

2.该方法操作灵活，易于对光纤器件端面的固定，可以实现表面涂膜批处理，节约时间。