[发明专利]基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于步进电机控制的三层液体腐蚀制备双锥形光纤的方法及装置。

技术背景

用于倏逝波光纤传感的传感器探头设计有多种：直线型，U型，D型，锥形,抛物线型。其中，锥形,抛物线型的探头具有较高的灵敏度。目前，制备锥形光纤普遍采用的是熔融拉锥法和化学腐蚀法。熔融拉锥法是用激光或氢氧焰将光纤中的一部分加热，向两边拉拽光纤，形成双锥结构光纤。这种方法是通过拉锥速率来控制锥形的，虽然操作简单，系统结构稳定，而且能得到通光效率较高的锥形光纤，但是其控制效果不佳，光纤容易被拉断，并且拉锥需要的精密仪器造价高昂，不宜广泛采用。化学腐蚀法常用的有两种：静态腐蚀和动态腐蚀，目前的文献报导中均只涉及到制备单锥结构的光纤传感头。静态腐蚀是将剥去涂覆层的光纤竖直浸在腐蚀液（HF）中，由于毛细现象，在光纤与液面接触处形成一个新月形，具有一定的高度。随着光纤直径的减小，该高度逐渐降低，从而腐蚀得到一个锥形。通过改变腐蚀液的溶度或温度从而改变锥形结构参数。或者在腐蚀液的表面加盖一层有机油膜，选择合适的油膜成分也可以实现锥形参数的改变。静态腐蚀的装置结构简单，但最大的缺点在于制备的锥形单一，其结构参数可调范围小，不便于精确控制。动态腐蚀是在静态腐蚀的基础上，通过一些方法在腐蚀的过程中改变光纤与腐蚀液面的相对速度，从而改变锥角结构参数。实际使用中，光纤与腐蚀液面的相对速度很小，不宜手动调整达到精确而平稳的移动。有人使用虹吸提升的方法，将腐蚀液容器悬浮在虹吸容器中，通过控制虹吸容器中的水容量减少速率来控制腐蚀液的下降速率，制备出锥角可控的锥形。这种方法结构简单，造价低。但是速率控制没有数字化，仍然难以精确控制可调，再者相对速度也难以实现动态可变，不宜制作出结构复杂的锥形光纤。上述腐蚀制备都仅仅能得到一个锥形结构，无法制备双锥结构光纤。Y.Zaatar将光纤平放，让其中一段浸入腐蚀液制备得到双锥结构光纤，方法简单，但锥形结构参数不可调，且若锥腰腐蚀得太细，则取出该光纤时由于液体表面张力容易弄断锥腰，因此该方法也有一定的局限性。

综上，熔融拉锥和传统的化学腐蚀法均存在各自的优缺点，限制了其使用的范围，寻求结构简单、造价低廉、稳定可靠、锥形结构参数精确可控的双锥结构光纤制备方法显得尤为必要。

发明内容

为克服现有技术的造价高、系统不稳定，结构和操作复杂，光纤锥角不可控等缺点，本发明提供了一种系统稳定，造价低廉、结构和操作简单，光纤锥角可控的基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法及装置。

基于步进电机控制的腐蚀制备双锥形光纤的方法，包括以下步骤：

1、将光纤的一段剥去涂覆层，形成裸露段的光纤，并将所述的光纤固定于一在步进电机的带动下可上下运动的PVC材质的光纤支架上，将光纤插入到U型腐蚀槽的左臂，让光纤另一端穿过U型槽底部从右臂伸出；

2、向腐蚀槽左臂内依次注入高密度不腐蚀液体、腐蚀液体和油封液体，向腐蚀槽右臂内注入水，保持两边液体压力平衡；所述的不腐蚀液体和腐蚀液体均是针对光纤而言，高密度是针对腐蚀液而言，且上述的相邻两种液体不互溶，保证存在明显的界面；高密度不腐蚀液体的液面超过U型槽底部弯曲部分；腐蚀液深度随锥腰长度而定，要求光纤的裸露段穿越腐蚀液；最后将所述的U型腐蚀槽进入水浴恒温箱内；

3、不启动步进电机，则进入静态腐蚀过程，随着浸入腐蚀液中的裸露光纤的腐蚀，在上下两处液体分界处会分别形成锥形，即得到双锥形光纤；启动步进电机，带动光纤上下运动，则进入动态腐蚀过程，同样在上下两处液体分界处会分别形成锥形，得到双锥形光纤，并且随着光纤上下运动的速率改变，而获得不同结构参数的锥形。

进一步，所述的高密度非腐蚀液体为溴代奈，所述的腐蚀液体为HF，所述的油封液体为葵花籽油。

专用于制备双锥形光纤的装置，包括腐蚀槽，光纤支架，固定光纤支架的载物台和通过竖直放置的丝杆机构与载物台联动的步进电机；所述的腐蚀槽浸入一水浴恒温箱内；

其特征在于：所述的腐蚀槽从上到下依次设置油封液体层、腐蚀层和高密度非腐蚀液体层；所述的步进电机的输出轴与丝杆固接，所述的载物台与丝杠螺母固接。

进一步，所述的载物台上固接有铜柱，所述的铜柱前端设有螺纹，所述的光纤支架上设有与所述的铜柱的螺纹配合的螺孔。

进一步，所述的步进电机和丝杠机构安装于固定三脚架上，所述的固定三脚架上设有允许所述的载物台沿其上下运动的导轨。