[发明专利]一种正交双轴非球面光纤微透镜

说明书

本发明提供的是一种正交双轴非球面光纤微透镜。其特征是：它由椭圆芯光纤经热扩散制备而成。正交双轴非球面光纤微透镜是在恒温场中，经热扩散制备而成，精细设计的椭圆芯光纤的椭圆芯掺杂剂扩散后，折射率分布变为非圆周对称的准高斯分布，可以等效为微透镜。本发明提供了一种纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜，同时具有制作简单、成本低的优点。本发明可用于纤维集成的微透镜的制备，可广泛应用于基于纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜的微型内窥镜、细胞生物光纤成像系统、光纤光镊系统、微型无人机等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种正交双轴非球面光纤微透镜，可用于纤维集成的微透镜的制备，可广泛应用于基于纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜的微型内窥镜、细胞生物光纤成像系统、光纤光镊系统、微型无人机等领域。

(二)背景技术

随着现代工业与科学技术的发展，人们已经逐步进入到信息化时代。信息技术的快速发展要求一个完整的信息系统能在尽可能小的空间内实现尽可能多的功能，这就要求实现各种功能的器件尽可能地小，向小型化、微型化方向发展。

纤维集成的微光学元件具有体积小、重量轻、设计制造灵活、制造成本低，并易于实现阵列化和批量化生产等优点，能够实现普通光学元件难以实现的功能，在光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学、激光技术、光计算等领域具有重要的应用价值。

随着研究的不断深入，人们提出了很多微光学元件的制备方法，主要有半导体光刻工艺法、单点金刚石车削、电子束刻蚀、飞秒激光直写等。半导体光刻工艺需要用到掩模板，利用紫外光曝光，通过显影将微结构转移到光刻胶上。这种方法工艺成熟，适合大批量制作，平均成本低。缺点是加工的结构只能是平面的，加工多阶结构时需要多次套刻，对准精度要求高，成本急剧上升。单点金刚石车削加工的表面粗糙度小，一般表面粗糙度都在10nm以下，适合加工任意回转形貌的结构。加工的精度取决于刀头和机床，对机床的精度要求高，加工材料有所限制，加工结构的尺寸不能太小。电子束刻蚀分为扫描式和投影式，扫描式不需要掩模板，对准、拼接均由计算机自动控制，加工精度极高。缺点是设备复杂、成本昂贵、单次曝光面积小、制作大尺寸结构时间太长。投影式加工速度快，但掩模制备困难。两种方式都需要在真空中进行，极大地限制了其适用范围。飞秒激光加工是一种无接触、高精度的微纳光电器件加工方法，对可应用的材料具有很强的广泛性。缺点是设备成本高，加工工艺复杂，加工效率比较低。

由于制造工艺的影响，目前的透镜系统在形状和尺寸等方面受到了限制。用于光纤与微光学元件纤维集成的制作技术，最近已经提出了使用诸如聚焦离子束铣削，干涉光刻，纳米压印技术，光刻，抛光技术等制造技术的不同方法，将微光学元件直接加工制造在光纤的端面上。然而他们具有加工难度大，复杂的制造装置等缺点。

而热扩散加工技术具有易于实现、成本低和操作简单等优点，热扩散技术在微机电系统，光集成器件，光通信和光纤传感中具有巨大的应用潜力。光纤经过热扩散处理，会在热扩散加工区域形成平滑的折射率渐变，平滑渐变的折射率区域具有微透镜的效果。对精细设计的椭圆芯光纤进行热扩散加工，可制备纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜。

专利CN01144937.3公开了一种具备透镜功能的光纤及其制造方法，使用周期长度显示透镜功能的渐变折射率光纤，对突变折射率光纤有效。该方法能够对单模光纤进行准直，但是不具有正交双轴非球面光纤微透镜的功能。

专利CN201210011571.6公开了一种大模面积的单模光纤连接器及制造方法，将阶跃型多模光纤进行纤芯掺杂元素的热扩散，形成沿径向向外减小的折射率渐变透镜，主要用于大模面积的单模光纤连接，不具备正交双轴非球面光纤微透镜的功能。

专利CN201721647567.3公开了一种激光光纤准直聚焦透镜，其特点是在玻璃管一端接入光纤，另一端连接透镜。因为使用微型透镜的方式进行光束准直，无法适用插入连接等情况，限制了使用的范围，而且制造比较困难。