[发明专利]微纳光纤表面制作光栅的方法

说明书

本发明涉及一种微纳光纤表面制作光栅的方法，其中，该方法包括以下步骤：提供一微纳光纤；在该微纳光纤表面涂覆一层紫外光敏功能化膜；以及使用紫外光源对该紫外光敏功能化膜进行逐点曝光。本发明提出的制作方法利用涂覆在微纳光纤表面的功能化膜，借助于薄膜材料的光敏性，利用低功率的紫外光进行曝光制备光栅。该方法不会引起石英微纳光纤的损伤，保证了微纳光纤光栅的力学性能。而且，该方法与当前通用的光纤光栅制备方法和设备完全兼容。

技术领域

本发明涉及光电子技术和光纤传感领域，特别涉及微纳光纤光栅的制作技术及装置。

背景技术

长周期光纤光栅是一种透射型光栅器件，在光纤通讯和光纤传感领域具有广阔的应用前景。例如，利用长周期光纤光栅可以实现透射型带阻滤波器，制作温度、应力、弯曲传感器等。长周期光纤光栅的基本原理是利用光纤中折射率或模场的周期性调制,实现光纤中各阶模式间的耦合,从而在透射光谱中形成谐振峰(也叫损耗峰)。基于这一原理，研究者们利用紫外激光、离子注入、CO₂激光、电弧放电等方法在光纤中引入周期性调制，已成功地在各种光纤中制作了长周期光纤光栅。

相比于其他光纤，微纳光纤的直径在微米和亚微米尺度，且具有特征尺寸较小、倏逝场很强，模式间的有效折射率差很大等特点。微纳光纤的长周期光栅同时结合了微纳光纤的倏逝场特性和长周期光栅的光谱特性，可以实现高灵敏度的传感。同时，微纳光纤长周期光栅的周期比普通光纤小一个量级，而直径比普通光纤小两个量级，故有利于实现紧凑的器件结构。

目前，常见的微纳光纤表面制作光栅的方法主要有：CO₂激光微拉锥法、飞秒激光表面刻蚀法、周期性表面涂覆法，以及氧化硅薄膜的CO₂激光曝光等方法。以下分别进行简要介绍。

(1) CO₂激光微拉锥法：H. Xuan提出了一种利用CO₂激光器对微纳光纤进行加热，继而进行周期性微拉锥的方法来制作微纳光纤长周期光栅。微纳光纤直径约为6.3微米，所得长周期光栅具有负的温度响应，大约-190 pm/˚C，和较高的折射率灵敏度，大约1900 nm/RI，可用于灵敏的折射率传感。这一制作方法的优点在于CO₂激光器成本较低。缺点为CO₂激光器的焦斑较大，仅能制作周期在百微米量级的长周期光栅。同时，在微拉锥过程中难以对拉锥形状进行精确控制，非绝热过渡的微拉锥区域将导致较大的传输损耗。

(2) 飞秒激光表面刻蚀法：谐振波长一定时，微纳光纤的直径越小，对应的光栅周期也越小。因此，为了在波长量级直径的微纳光纤中制作长周期光栅，H. Xuan 等研究者又提出了一种利用飞秒激光在微纳光纤表面进行周期性刻蚀的制作方法。飞秒激光的波长为800纳米，聚焦光斑直径可以达到2.5 微米，可以在直径为2.4微米的微纳光纤中制作周期15微米的长周期光栅。此法的优点在于利用飞秒激光较小的聚焦光斑，可以实现更高精度的微结构加工。缺点在于飞秒激光直接损伤了石英微纳光纤，极易导致器件断裂，降低了器件的力学性能。

(3) 周期性表面涂覆法：X. Zhang等研究者提出了一种利用PDMS对微纳光纤进行周期性表面涂覆的方法制作微纳光纤长周期光栅。所得微纳光纤直径7.6微米，光栅周期143微米。此方法中引入了聚合物材料，其较高的生物亲和性将会使得微纳光纤长周期光栅具有更广的应用前景。然而，制作过程中PDMS液滴尺寸较大（约为20微米~30微米），同时，PDMS液滴固化过程耗时较长（<24小时）且不易控制，难以保证PDMS液滴表面形貌的一致性，可能会降低微纳光纤长周期光栅制作的一致性。