CN101561295A - 基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,包括以下步骤:将高掺杂光纤端面浸入腐蚀液进行腐蚀,在端面形成微孔;将两根腐蚀后的光纤微孔相对进行熔接、或将一根腐蚀后的光纤微孔与单模光纤端面熔接,形成光纤珐珀传感器,采用氢氟酸和强无机酸的混合液作为腐蚀液,所用光纤为纤芯高掺杂光纤,高掺杂浓度进一步加大包层与纤芯的腐蚀速率差,腐蚀液中的强无机酸,使氢氟酸浓度降低,减小了腐蚀液对包层的腐蚀速率,在增加纤芯腐蚀深度的同时,减小包层的腐蚀量,使熔接后的珐珀传感器机械性能得到较大改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感器,具体涉及一种基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法。
背景技术
光纤珐珀传感器已经在工业、军事等诸多领域被广泛应用于应变、压力、温度、折射率等参数的传感,分为本征型和非本征型珐珀传感器。非本征型光纤珐珀传感器(EFPI)是指以光纤端面和空气界面为反射面构成珐珀腔,具有对某一物理或化学参数敏感的传感特性。传统的EFPI传感器主要通过在两段单模光纤之间熔接一段空心光纤、或空心毛细管、或空心光子晶体光纤、或直接利用空心套管将两段单模光纤对准并固定。这样形成的EFPI传感器成本低、制作方便,但腔长很难精确控制,不利于制作微型传感器。
申请号为200710078516.8,公开号为CN 101055197A的中国发明专利“飞秒激光脉冲制作的微型光纤珐珀传感器及制作方法”和申请号为200710088067.5,公开号为CN 101034007A的中国发明专利“光纤珐珀传感器及其制作方法”分别公开了利用飞秒激光和准分子激光在光纤上加工微珐珀腔,构成光纤珐珀传感器,用于应变、温度、压力等参数的检测。这一类传感器性能好、重复性高,适合于中高端产品,但加工***造价高,不适合普及推广,而且加工过程需要掩膜板与光纤精确对准,调节精度要求很高,很难低成本、大批量制作。
Y.Zhu和A.Wang报道了用氢氟酸(HF)和氟化铵(NH4F)作为腐蚀液,通过腐蚀多模光纤和多次熔接的方式,制作了多珐珀腔结构的光纤压力传感器,详见IEEE Photon.Technol.Lett.,17(2):447-449(2005)。该传感器制作的步骤较多,结构比较复杂。C.J.Tuck等人报道了用48%的氢氟酸(HF)溶液作为腐蚀液,直接腐蚀普通单模光纤端面,形成微孔的光纤端面在与一段单模光纤熔接,构成光纤珐珀腔,详见Meas.Sci.Technol.,17:2206-2212(2006)。由于HF对SiO2包层有较强的腐蚀,同时普通单模光纤纤芯掺锗浓度较低,导致包层和纤芯的腐蚀速度差较小,因此腐蚀深度小。而且包层腐蚀后光纤直径很小,导致熔接困难和制作的珐珀传感器机械强度较差。
发明内容
本发明所要解决的问题是:如何提供一种基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,该方法能克服现有技术中所存在的缺陷,成本低、适宜大规模工业化生产。
本发明所提出的技术问题是这样解决的:提供一种基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,其特征在于,包含以下步骤:
①将高掺杂光纤端面侵入腐蚀液进行腐蚀,在其端面将纤芯部分腐蚀而形成微孔,所述腐蚀液为氢氟酸和强无机酸的混合液,所述高掺杂光纤的光纤纤芯掺杂,掺杂质包括稀土元素、锗和硼,掺杂浓度高于普通单模光纤的掺锗浓度,包层为纯石英;
②将经步骤①得到的高掺杂光纤清洗掉残余的腐蚀液,然后置于无尘环境中晾干或用吹风机吹干;
③将两根经过步骤②处理后得到高掺杂光纤的微孔相对进行熔接、或者将一根经过步骤②处理后得到的高掺杂光纤的微孔与一根单模光纤端面进行熔接,形成光纤珐珀传感器。
按照本发明所提供的基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,其特征在于,所述强无机酸能跟光纤纤芯的掺杂物质反应,生成可溶性物质,浓度大于1%,包括盐酸、硝酸和硫酸等。
按照本发明所提供的基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,其特征在于,所述的氢氟酸浓度大于1%。
按照本发明所提供的基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,其特征在于,所述的强无机酸和氢氟酸的体积比大于1∶20。
本发明的有益效果是:该基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,具有成本低、适合大批量制作等优点。通过加入强无机酸与光纤纤芯中的掺杂物质反应,加大包层与纤芯的腐蚀速率差,从而增大光纤端面腐蚀微孔的深度,继而通过熔接一段光纤得到所需的光纤珐珀传感器。所用光纤为纤芯高掺杂光纤,高掺杂浓度进一步加大包层与纤芯的腐蚀速率差。腐蚀液中的强无机酸,使氢氟酸浓度降低,减小了腐蚀液对包层的腐蚀速率,在增加纤芯腐蚀深度的同时,减小包层的腐蚀量,使熔接后的珐珀传感器机械性能得到较大改善。
附图说明
图1为腐蚀前的高掺杂光纤端面的结构示意图;
图2为腐蚀后的高掺杂光纤端面的结构示意图;
图3为腐蚀后再熔接形成的光纤珐珀传感器的结构示意图;
图4给出了实施例制作的光纤珐珀传感器的应变和温度特性。
其中,1、包层,2、纤芯,3、微孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述:
该基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,包含以下步骤:将高掺杂光纤端面侵入腐蚀液进行腐蚀,在其端面将纤芯部分腐蚀而形成微孔,腐蚀液为氢氟酸和强无机酸的混合液,高掺杂光纤的光纤纤芯2掺杂,掺杂质包括稀土元素、锗和硼,掺杂浓度高于普通单模光纤的掺锗浓度,包层1为纯石英,将高掺杂光纤清洗掉残余的腐蚀液,然后置于无尘环境中晾干或用吹风机吹干,将两根处理得到高掺杂光纤的微孔3相对进行熔接、或者将一根经过处理后得到的高掺杂光纤的微孔3与一根单模光纤端面进行熔接,形成光纤珐珀传感器。
其中强无机酸能跟光纤纤芯的掺杂物质反应,生成可溶性物质,浓度大于1%,包括盐酸、硝酸和硫酸等。氢氟酸浓度大于1%。
以下是本发明的具体实施例:
基于腐蚀高掺杂光纤的光纤珐珀传感器制作方法流程示意图如图1~图3所示。首先,将40%质量比的氢氟酸溶液和35%质量比的盐酸溶液按体积比3∶1配成总体积60mL的腐蚀液。高掺杂光纤采用Nufern公司的掺铒单模光纤,型号为EDFC-980-HP。将掺铒光纤端面切割平整,如图1上所示,放入腐蚀液进行腐蚀加工。25分钟后,将腐蚀的掺铒光纤取出放入去离子水浸泡约20分钟,清洗掉残余的腐蚀液,然后将其放置于无尘环境晾干、或用吹风机吹干后待用。光纤端面纤芯部分会被腐蚀成一微孔,实际腐蚀的光纤端面三维轮廓如图2左所示。将腐蚀后的光纤与普通单模光纤进行熔接,得到光纤珐珀传感器,如图3所示。制作过程中,盐酸也可用硝酸等其他强无机酸代替,掺铒光纤也可用掺硼、掺镱、掺锗等掺杂光纤代替,只要保证掺杂浓度较高,并且腐蚀液中的强无机酸与纤芯掺杂物质反应生成可溶性物质即可。也可以将两根端面腐蚀有微孔的掺杂光纤进行熔接,形成腔长更长的珐珀传感器。为了使腐蚀时间不致过长,强无机酸和氢氟酸的浓度应大于1%,两者的体积比应大于1∶20。
该传感器可用于应变传感,而且温度不敏感。图4给出了实施例制作的光纤珐珀传感器的应变和温度特性。应变灵敏度为3.1pm/με,温度灵敏度为0.6pm/℃,说明该传感器具有温度不敏感特性,因此具有广泛的应用前景。
Claims (5)
1、一种基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,其特征在于,包含以下步骤:
①将高掺杂光纤端面侵入腐蚀液进行腐蚀,在其端面将纤芯部分腐蚀而形成微孔,所述腐蚀液为氢氟酸和强无机酸的混合液,所述高掺杂光纤的光纤纤芯掺杂,掺杂质包括稀土元素、锗和硼,掺杂浓度高于普通单模光纤的掺锗浓度,包层为纯石英;
②将经步骤①得到的高掺杂光纤清洗掉残余的腐蚀液,然后置于无尘环境中晾干或用吹风机吹干;
③将两根经过步骤②处理后得到高掺杂光纤的微孔相对进行熔接、或者将一根经过步骤②处理后得到的高掺杂光纤的微孔与一根单模光纤端面进行熔接,形成光纤珐珀传感器。
2、根据权利要求1所述的基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,其特征在于,所述强无机酸能跟光纤纤芯的掺杂物质反应,生成可溶性物质,浓度大于1%。
3、根据权利要求2所述的基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,包括盐酸、硝酸和硫酸。
4、根据权利要求1所述的基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,其特征在于,所述氢氟酸浓度大于1%。
5、根据权利要求1所述的基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法,其特征在于,强无机酸和氢氟酸的体积比大于1∶20。
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