專利名稱：一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)用開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)，具體涉及一種用于氣液流體實(shí)時(shí)傳感領(lǐng)域、可提高檢測(cè)光場(chǎng)與被測(cè)物質(zhì)交疊、兼容側(cè)向打磨加工工藝、具有較好微導(dǎo)流性能、較低非線性系數(shù)和較大加工余度的復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，微結(jié)構(gòu)光纖已經(jīng)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于氣液傳感領(lǐng)域。在傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)光纖中，許多尺寸在波長(zhǎng)量級(jí)的空氣孔呈規(guī)則排布并沿軸向延長(zhǎng)， 構(gòu)成了二維帶隙結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)光場(chǎng)的控制。通過(guò)對(duì)這些空氣孔尺寸、孔間距大小、纖芯處實(shí)體構(gòu)造等進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，可望獲得靈活多樣的光學(xué)傳感特性。但是由于在沒(méi)有輔助填充設(shè)備的條件下，被測(cè)氣液物質(zhì)對(duì)其結(jié)構(gòu)的填充通常需要數(shù)分鐘乃至數(shù)小時(shí)以上，所以其在實(shí)時(shí)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用受限。開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖是在傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)光纖基礎(chǔ)上引入微流體導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，用以增強(qiáng)被測(cè)流體與光纖檢測(cè)光場(chǎng)之間的重疊和相互作用效果，進(jìn)而在保證高傳感靈敏度的基礎(chǔ)上提高其實(shí)時(shí)檢測(cè)的能力。檢測(cè)時(shí)將開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖置于被測(cè)物質(zhì)中，令被測(cè)物質(zhì)對(duì)其開(kāi)放部分實(shí)時(shí)填充。開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖具有設(shè)計(jì)靈活、無(wú)需輔助填充設(shè)備、可實(shí)時(shí)傳感，可望為未來(lái)氣體、液體和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中高精度實(shí)時(shí)傳感器設(shè)計(jì)提供一種新的方法。利用開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，可以構(gòu)造一元流體性態(tài)傳感系統(tǒng)。通過(guò)使其網(wǎng)絡(luò)化，預(yù)期可實(shí)現(xiàn)對(duì)流體性態(tài)斷面或空間分布的數(shù)據(jù)采集。該類型的傳感系統(tǒng)在易燃、毒性物質(zhì)的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段國(guó)際上的開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖可分為兩類。第一類是基于類似納米線結(jié)構(gòu)的 Wff (Wagon Wheel)開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，制備時(shí)采用聚合物或摻雜石英玻璃材料的二次成型方法。開(kāi)放式結(jié)構(gòu)通過(guò)在一次成型后得到的WW結(jié)構(gòu)包層中使用微機(jī)械加工進(jìn)行開(kāi)槽獲得。由于其必須在拉制過(guò)程中保留較厚的包層以提供對(duì)內(nèi)核的支撐，其開(kāi)放結(jié)構(gòu)中被測(cè)物質(zhì)流動(dòng)受限，使其傳感實(shí)時(shí)性降低。Wff微結(jié)構(gòu)光纖的非線性系數(shù)較高，對(duì)傳感過(guò)程也額外產(chǎn)生了一定程度的不利影響。WW微結(jié)構(gòu)光纖可調(diào)整的參數(shù)較少，較難利用普通微結(jié)構(gòu)光纖的設(shè)計(jì)方法。另外WW開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)加工需要引入較為復(fù)雜的微機(jī)械加工工藝，成品率低，難以與通常采用并且技術(shù)較為成熟的光纖側(cè)向打磨工藝兼容。另一類開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖采用了傳統(tǒng)的全內(nèi)反射型微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計(jì)，利用石英玻璃作為制造材料，結(jié)合二次成型法制備。在一次成型獲得的微結(jié)構(gòu)光纖上，利用側(cè)向打磨工藝切去部分光纖包層，使位于纖芯處的光場(chǎng)能與周圍被測(cè)物質(zhì)獲得更強(qiáng)的交疊，形成開(kāi)放結(jié)構(gòu)。該類型光纖為了保留一定的帶隙結(jié)構(gòu)用于限制光場(chǎng)，并受制于打磨工藝的局限，在加工過(guò)程中無(wú)法完全剔除殘余包層的影響，另外由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，這一類型的微結(jié)構(gòu)光纖的光場(chǎng)分布為準(zhǔn)對(duì)稱形態(tài)，使光場(chǎng)在被測(cè)物質(zhì)中的分布無(wú)法實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的提升。在實(shí)際使用中通常需要令某一特定的偏振模式占優(yōu)以便流體物質(zhì)檢測(cè)，而打磨型全內(nèi)反射型微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計(jì)也難以實(shí)現(xiàn)這一要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決目前Wff開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖導(dǎo)流特性不佳、無(wú)法兼容以往較成熟的微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計(jì)方法與光纖側(cè)向打磨加工工藝、加工復(fù)雜成品率低、非線性誤差較大的缺點(diǎn)以及打磨型全內(nèi)反射式微結(jié)構(gòu)光纖光場(chǎng)-被測(cè)物質(zhì)重疊性較差、打磨深度難于控制的缺點(diǎn)，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并容易制作的開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，包括纖芯和包層，包層兼容本領(lǐng)域成熟的全內(nèi)反射型微結(jié)構(gòu)光纖帶隙包層等邊三角形規(guī)則，其特征在于在全內(nèi)反射微結(jié)構(gòu)光纖帶隙結(jié)構(gòu)的一側(cè)，設(shè)置貫通其帶隙包層的微流體導(dǎo)流孔，在纖芯處排布三個(gè)圓形小空氣孔形成復(fù)合纖芯，并通過(guò)采用側(cè)向打磨工藝引入開(kāi)放結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖通過(guò)在包層帶隙區(qū)引入了導(dǎo)流孔，較大程度地提升了被檢測(cè)流體物質(zhì)的流動(dòng)速度，提升了檢測(cè)的實(shí)時(shí)性效果。開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的成型通過(guò)利用較成熟的光纖側(cè)向打磨工藝實(shí)現(xiàn)，且由于導(dǎo)流孔幾何尺寸較大， 在加工時(shí)有一定的加工余度。三孔復(fù)合纖芯的引入對(duì)光場(chǎng)形成了較大的束縛作用，提高了檢測(cè)光場(chǎng)在被測(cè)物質(zhì)中的分布。同時(shí)該微結(jié)構(gòu)光纖具有較低的非線性系數(shù)，不易在檢測(cè)過(guò)程中引入非線性誤差。綜上所述，本發(fā)明提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖具有制作簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)、實(shí)時(shí)傳感效能優(yōu)異的特點(diǎn)，可以用于光纖氣液流體實(shí)時(shí)傳感及相關(guān)領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖完成初次拉制成型后獲得的待打磨基材示意圖2為在圖1所示的初次成型基材上經(jīng)由側(cè)向打磨，得到的復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖最終成品示意圖； 圖3為本發(fā)明中導(dǎo)流孔示意圖； 圖4為本發(fā)明中復(fù)合纖芯示意圖5為實(shí)施例1所提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖不同波長(zhǎng)上檢測(cè)光場(chǎng)在導(dǎo)流孔被測(cè)物質(zhì)中的分布比例；
圖6為實(shí)施例1所提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖的不同波長(zhǎng)上的非線性系數(shù)；
圖7A為實(shí)施例1所提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖垂直偏振檢測(cè)光場(chǎng)模場(chǎng)分布等高線圖7B為實(shí)施例1所提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖垂直偏振檢測(cè)光場(chǎng)模場(chǎng)分布等3D圖8為實(shí)施例1所提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖導(dǎo)流孔內(nèi)流體擴(kuò)散示意圖9為實(shí)施例1所提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖纖芯處被測(cè)物質(zhì)濃度時(shí)間變化與孔內(nèi)打磨深度的關(guān)系；圖10為實(shí)施例2所提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖不同波長(zhǎng)上檢測(cè)光場(chǎng)在導(dǎo)流孔被測(cè)物質(zhì)中的分布比例；
圖11為實(shí)施例2所提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖的不同波長(zhǎng)上的非線性系數(shù)；
圖12A為實(shí)施例2所提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖垂直偏振檢測(cè)光場(chǎng)模場(chǎng)分布等高線圖12B為實(shí)施例2所提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖垂直偏振檢測(cè)光場(chǎng)模場(chǎng)分布等3D圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。實(shí)施例1
本發(fā)明提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖制備中采用堆積法或超聲波打孔法進(jìn)行預(yù)制棒生成，之后采用與普通微結(jié)構(gòu)光纖拉制相同的工藝即可完成一次成型，制備材料可選擇石英玻璃或聚合物材料，成型后如圖1所示，其中，黑色填充部分表示基底材料，而白色部分則為空氣。其結(jié)構(gòu)包括纖芯和包層，除導(dǎo)流孔外的包層與普通光子晶體光纖一致，為包圍纖芯呈周期性排布、孔徑在波長(zhǎng)量級(jí)的空氣孔。每三個(gè)空氣孔單元形成一個(gè)正三角形，整體的帶隙結(jié)構(gòu)呈等邊六邊形。對(duì)于包層空氣孔的設(shè)計(jì)可以借鑒本技術(shù)領(lǐng)域公知的普通光子晶體光纖通常采用的正三角形規(guī)則在基底材料中均勻排列，每個(gè)空氣孔的半徑為d = 1微米，孔距=2. 25微米。結(jié)合圖3，導(dǎo)流孔位于包層結(jié)構(gòu)中位于等邊六邊形軸對(duì)稱線上的一側(cè)，該導(dǎo)流孔的上部邊緣位于包層帶隙外邊緣附近，而其下部邊沿位于光纖中心略上。該導(dǎo)流孔為橢圓形，具體形態(tài)可根據(jù)被測(cè)物質(zhì)的流體特性與光纖拉制過(guò)程中的形變余度加以選取。在本實(shí)施例中，導(dǎo)流孔的長(zhǎng)軸半軸距為18微米，短軸半軸距為14微米，長(zhǎng)軸下頂點(diǎn)距光纖中心1. 5微米。結(jié)合圖4，纖芯處為呈倒三角排布的三個(gè)圓形小空氣孔，上面兩個(gè)小空氣孔的內(nèi)徑需要一致，在本實(shí)施例中，其半徑為0. 8微米，且分布于光纖水平軸上，距光纖中心點(diǎn)1. 4微米，位于導(dǎo)流孔的下邊沿附近。下面的第三個(gè)小空氣孔的位置位于光纖的中心點(diǎn)略下，在本實(shí)施例中，低于光纖中心點(diǎn)1.8微米，其內(nèi)徑可與上述兩個(gè)位于倒三角形底邊的空氣孔不同。增大該小空氣孔會(huì)使檢測(cè)光場(chǎng)向被測(cè)物質(zhì)中的偏移增強(qiáng)，但是光纖拉制難度與非線性系數(shù)同樣會(huì)略有增加。這三個(gè)呈倒三角分布的小空氣孔對(duì)光場(chǎng)分布可起到強(qiáng)烈的限制作用，其結(jié)構(gòu)對(duì)檢測(cè)光纖的光學(xué)感測(cè)特性有較重要的影響。而通過(guò)對(duì)帶隙包層中空氣孔的尺寸與幾何分布進(jìn)行改變，可以對(duì)光纖的光學(xué)特性進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。如圖2所示，為二次成型后示意圖，其中，黑色填充部分表示基底材料，而白色部分則為空氣，二次成型利用側(cè)向打磨工藝形成開(kāi)放結(jié)構(gòu)。打磨方向?yàn)檠貙?dǎo)流孔上邊沿光纖的垂直對(duì)稱軸向下，打磨加工允許一定程度的離軸偏差?？變?nèi)打磨深度定義為從導(dǎo)流孔上邊沿到打磨水平線的距離。該孔內(nèi)打磨深度可選擇為導(dǎo)流孔長(zhǎng)軸的1/3到1/2，更大的打磨深度對(duì)導(dǎo)流檢測(cè)性能提高有限，并可能造成芯區(qū)碎裂。打磨深度可允許不超過(guò)導(dǎo)流孔長(zhǎng)軸剩余部分的加工誤差。檢測(cè)光場(chǎng)在導(dǎo)流孔被測(cè)物質(zhì)中的分布比例如圖5所示，非線性系數(shù)如圖6所示，其中，被測(cè)物質(zhì)折射率1. 3333，濃度lmol/L，流速為零?？梢?jiàn)利用上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以獲得較優(yōu)的模場(chǎng)分布與非線性抑制特性。由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，垂直偏振檢測(cè)光檢測(cè)參數(shù)占優(yōu)。 在實(shí)際使用中選用垂直偏振光作為檢測(cè)光。利用配合完全匹配層的有限元法分析可得，復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖在使用1550納米波長(zhǎng)垂直偏振檢測(cè)光時(shí)的檢測(cè)光場(chǎng)模場(chǎng)分布如圖7所示。由于芯區(qū)三個(gè)空氣孔的限制，檢測(cè)光場(chǎng)模場(chǎng)分布明顯向被測(cè)物質(zhì)偏移。檢測(cè)過(guò)程中，流體通過(guò)導(dǎo)流孔上部的開(kāi)放部分進(jìn)入其中，其擴(kuò)散過(guò)程是先填充開(kāi)放部分的上部，之后填充纖芯附近區(qū)域，如圖8所示。如圖9所示，對(duì)于本例所示幾何尺寸導(dǎo)流孔及流體被測(cè)物質(zhì)為靜止的情況，2微米以上的孔內(nèi)打磨深度都可以保障被測(cè)液體對(duì)纖芯附近的填充時(shí)間小于10秒。而在如果被測(cè)流體的流速不為零，則填充速度將會(huì)有進(jìn)一步的提尚ο針對(duì)本發(fā)明所提出的復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，通過(guò)選擇不同的纖芯空氣孔尺寸與排布、包層空氣孔尺寸與排布及導(dǎo)流孔形態(tài)，可使其在一定范圍內(nèi)具有不同的光場(chǎng)分布和微流體導(dǎo)流特性，以滿足不同的應(yīng)用需求。實(shí)施例2
本實(shí)施例提供了另一種在纖芯區(qū)使用非均一尺寸空氣孔的復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，該光纖的基底材料為石英玻璃，纖芯區(qū)域倒三角形頂邊的兩個(gè)空氣孔位于光纖的水平軸上方0. 9微米處，距離光纖對(duì)稱軸1. 3微米，其半徑為0. 6微米。倒三角形頂點(diǎn)的空氣孔位于光纖中心點(diǎn)正下方0.4微米處，其半徑為1. 15微米。導(dǎo)流孔與實(shí)施例1相同。包層中空氣孔2按照本技術(shù)領(lǐng)域公知的普通光子晶體光纖通常采用的正三角形規(guī)則在基底材料中均勻排列，每個(gè)空氣孔的半徑為d=l微米，孔距=2. 25微米。檢測(cè)光場(chǎng)在導(dǎo)流孔被測(cè)物質(zhì)中的分布比例如圖10所示，非線性系數(shù)如圖11所示。 利用配合完全匹配層的有限元法分析可得，所述復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖在使用1550納米波長(zhǎng)垂直偏振檢測(cè)光時(shí)的檢測(cè)光場(chǎng)模場(chǎng)如圖12所示。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，包括纖芯和包層，包層兼容本領(lǐng)域成熟的全內(nèi)反射型微結(jié)構(gòu)光纖帶隙包層等邊三角形規(guī)則，其特征在于在全內(nèi)反射微結(jié)構(gòu)光纖帶隙結(jié)構(gòu)的一側(cè)，設(shè)置貫通其帶隙包層的微流體導(dǎo)流孔，在纖芯處排布三個(gè)圓形小空氣孔形成復(fù)合纖芯，并通過(guò)采用側(cè)向打磨工藝引入開(kāi)放結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于所述微流體導(dǎo)流孔在一次成型后，其上部邊緣位于包層帶隙外邊緣附近，而其下部邊沿位于纖芯中心點(diǎn)上方，二次成型中，該微流體導(dǎo)流孔通過(guò)利用側(cè)向打磨工藝，形成開(kāi)放式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于所述三個(gè)圓形小空氣孔呈倒三角形排布，且位于所述微流體導(dǎo)流孔下邊沿處。
4.如權(quán)利要求4所述的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于位于倒三角形底邊兩端上的兩個(gè)圓形小空氣孔的內(nèi)徑一致，且位于所述微流體導(dǎo)流孔的下邊沿附近，位于倒三角形頂端的第三個(gè)圓形小空氣孔位于纖芯中心點(diǎn)下方。
5.如權(quán)利要求4所述的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于所述位于倒三角形底邊兩端上的兩個(gè)圓形小空氣孔的半徑小于或等于所述倒三角形頂點(diǎn)圓形小空氣孔的半徑。
6.如權(quán)利要求4所述的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于所述位于倒三角形頂端的第三個(gè)圓形小空氣孔的半徑為0. 4-1. 2微米。
7.如權(quán)利要求4所述的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于所述位于倒三角形底邊兩端上的兩個(gè)圓形小空氣孔的半徑為0. 4-1. 0微米。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖，包括纖芯和包層，包層兼容傳統(tǒng)全內(nèi)反射型微結(jié)構(gòu)光纖帶隙包層的設(shè)計(jì)，并在纖芯與包層中分別引入復(fù)合結(jié)構(gòu)與導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。其特征在于在包圍的帶隙結(jié)構(gòu)軸對(duì)稱線上的一側(cè)設(shè)有貫通一側(cè)帶隙結(jié)構(gòu)的橢圓形導(dǎo)流孔，在纖芯處周圍排布有呈倒三角形分布的三個(gè)圓形小空氣孔組成的復(fù)合纖芯。本發(fā)明提供的一種復(fù)合纖芯偏獨(dú)孔導(dǎo)流開(kāi)放式微結(jié)構(gòu)光纖具有制作簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)、實(shí)時(shí)傳感效能優(yōu)異的特點(diǎn)，可以用于光纖氣液流體實(shí)時(shí)傳感及相關(guān)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B6/032GK102193139SQ20111013840
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者劉建勝, 崔劍, 楊義, 王冠軍, 肖經(jīng), 韓芳 申請(qǐng)人:東華大學(xué)