[发明专利]一种微孔阵列型光纤光栅的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种利用激光加工结合化学腐蚀技术制备微孔阵列型光纤光栅的方法。

背景技术

光纤光栅是光纤内折射率沿轴向受到周期性调制而形成的对某些特定波长产生反射或损耗的全光纤无源器件。作为一种性能优良的敏感元件，光纤光栅可以对多种物理、化学及生物参量进行传感，包括温度、应力、折射率等。由于其不受电磁干扰，耐高温、高压，能在腐蚀性、易燃和易爆等恶劣环境下工作，并且体积小、灵敏度高、与光纤系统兼容、易于组网实现分布式传感，因此发展迅速，具有非常广阔的应用前景。

为了进一步提高光纤光栅传感的灵敏度及耐高温特性，人们在光栅结构及制备上进行了大量研究。如为了提高光纤光栅对环境折射率的敏感性，目前常采用的方法是对光纤光栅进行化学腐蚀使其变细，令光栅处的消逝场更多的延伸到环境中，当环境折射率发生变化时能更大的引起光栅处模式有效折射率的改变，使光纤光栅的谐振波长发生更显著的移动，从而提高其检测环境折射率变化的灵敏度。然而这种办法是以牺牲光栅机械强度为代价的，灵敏度越高要求光纤光栅腐蚀的越细，这直接导致光纤光栅械强度变差，极易断裂，因而不利于其实用化。而在光栅耐高温特性上，目前主要采用的方法是制备出损伤型的光栅结构，即II型的光纤光栅。由于这种光栅结构是由材料内部发生微爆或熔化后再凝固的致密化过程形成的，因而其温度稳定性很高，可以承受到光纤的软化温度(对于石英光纤大约是1150℃)。这种损伤型的光栅结构由于微爆等原因会引入了微裂纹，使其对化学腐蚀特别敏感，其腐蚀速度较无损伤的材料快了几十倍甚至上百倍，这使得激光损伤区产生了选择性腐蚀的特点。然而人们仅仅将这种损伤结构局限在光纤中较小范围内，如纤芯或其附近的包层中。如果对这种耐高温的光纤光栅进行化学腐蚀以增大其对环境变化的敏感性，光纤光栅整体同样会变细削弱其机械强度，并不能体现出II型损伤区选择性腐蚀的优势。

由此可见，如何制备出一段既耐高温又对环境折射率敏感且能保持一定机械强度的光纤光栅，对光栅的制备及处理方式提出了一定的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备微孔阵列型光纤光栅的方法，其步骤包括：首先利用聚焦激光光束(激光功率为0.5W～1.5W)在光纤上制备损伤区微孔(宽度为几微米到十几微米)从纤芯延伸到包层外沿的光纤光栅，然后根据激光损伤区选择性腐蚀的特点，使用一定体积浓度(1％～40％)的氢氟酸在一定温度(10℃～50℃)下对这段光栅进行化学腐蚀，最后经过碱性溶液中和及去离子水超声清洗，从而得到光栅区从包层外沿延伸到纤芯的微孔(形貌为圆形、椭圆形或矩形)阵列(或由微孔连接形成微缝)型光纤光栅。

本发明所述方法结合了激光加工技术及可控的结构化腐蚀，摆脱了现行公开的光纤光栅制备时光栅限制在纤芯附近及腐蚀时光纤整体变细的局限，可制备出光栅区从光纤内部延伸到表面的光纤光栅，而腐蚀过程则基本被限制在损伤的光栅区中，这使得腐蚀后能形成从光纤表面延伸到光纤内部的微通道结构，保证了腐蚀后的结构仍然具有较大的机械强度且能提高其对环境折射率探测的灵敏度。由于该光纤光栅具有损伤形成的II型光栅结构，所以也同时具有了耐高温的特性，可以应用于高温环境的传感。

以上方法中所涉及的激光光束由激光光源提供，激光光束可以损伤光纤材料改变其折射率。根据情况，激光光源可以选择飞秒脉冲激光器(波长范围为200～2600nm，脉冲宽度范围为10～100fs，重复频率范围为1～80MHz，单脉冲能量范围为10pJ～1mJ)、皮秒脉冲激光器(波长范围为200～2600nm，脉冲宽度范围为10～900ps，重复频率范围为1～80MHz，单脉冲能量范围为1nJ～1J)、纳秒脉冲激光器(波长范围为200～2000nm，脉冲宽度范围为10～900ns，重复频率范围为1～10KHz，单脉冲能量范围为10pJ～1J)或连续激光器。

以上方法中所涉及的光纤可以是纯石英光纤、掺杂石英光纤、蓝宝石光纤、氟化玻璃光纤或光子晶体光纤，但不限于这些材料类型。

上述方法所制备的微孔阵列型光纤光栅，根据其模式耦合原理及传感特点可以是Bragg光纤光栅(短周期光纤光栅，周期一般在数百纳米到微米量级)或长周期光纤光栅(周期一般在几十微米到数百微米量级)。

制备光纤光栅的方法根据情况可以采用相位掩模法、振幅掩模法、逐点写入法或全息干涉法，但不限于这些方法，只要能够形成损伤区从纤芯延伸到光纤表面的II型光栅结构即可。