CN108332676A - 一种无损测量纳米光纤直径的装置及方法 - Google Patents

一种无损测量纳米光纤直径的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种无损测量纳米光纤直径的装置及方法，属于纳米光纤直径无损测量技术领域；所要解决的技术问题是提供了一种成本低廉、无损测量纳米光纤直径的装置和方法；解决该技术问题采用的技术方案为：一种无损测量纳米光纤直径的装置，包括测试激光器、光纤探针和光电探测器，测试激光器输出的激光依次经过第一普通光纤、第一锥形光纤、纳米光纤、第二锥形光纤和第二普通光纤后进入光电探测器，第一普通光纤、第一锥形光纤、纳米光纤、第二锥形光纤和第二普通光纤为一体成型；光纤探针用于对纳米光纤进行接触或分离，使光电探测器测得光纤探针接触纳米光纤不同位置下的测试激光的光强；本发明可广泛应用于纳米光纤直径测量领域。

Description

一种无损测量纳米光纤直径的装置及方法
技术领域
本发明一种无损测量纳米光纤直径的装置及方法，属于纳米光纤直径无损测量技术领域。
背景技术
光纤波导不仅在网络通信、医学治疗、光纤传感和众多关乎国计民生重要领域诸如半导体工业、航天、国防都有着广阔的应用，而且在半导体研究、表面科学、量子物理，光与物质相互作用等基础学科也有着重要的作用。
阶跃型光纤波导一般情况是由高折射率的纤芯和低折射率的包层构成。激光被束缚在纤芯中传输，光纤包层对激光传输起到了很好的保护作用，激光无法受到外界影响。而相反当将光纤波导的直径通过微加工过程制做成光纤直径在微米以下的光纤，原有的光纤包层成为光传输通道，外部自由空间成为包层，这种光纤被称为纳米光纤。由于纳米光纤直径接近或者小于光波长，其内部传输光在光纤表面形成倏逝场的能量不可忽略甚至所占比重更大，与此同时倏逝场在光纤外部空间传输，与外界接触，因此此类结构可以作为与外部物质相互作用的基本器件，其在光学传感、光学开关、光学滤波器、非线性光学、量子光学、精密测量等领域均发挥着巨大作用。
在各种应用中纳米光纤直径参数对具体器件开发有着重要的影响，因此在使用之前必须精确确定纳米光纤的直径。但是纳米光纤由于其直径接近或者小于波长，通常在百纳米量级，光学显微镜由于衍射极限的限制已经无法准确的测量纳米光纤的直径。准确测量纳米光纤的传统方法是使用扫描电子显微镜。但是扫描电子显微镜测量纳米光纤之前，需要对样品进行喷金处理，而喷金处理后，纳米光纤表面镀有一层金元素层，其使得纳米光纤表面倏逝场特性发生根本性变化，同时纳米光纤透射率大幅度衰减，这些后果造成纳米光纤在诸多应用领域无法使用。另外扫描电子显微镜因为其价格贵、成本高、维护复杂等原因无法普遍使用。
以纳米光纤为基本器件的光学传感器的研发设计中和光与物质相互作用的等技术开发和实验研究中需要在使用之前就测量确定纳米光纤直径，而且在测量之后对纳米光纤特性不能产生影响和损坏，因此亟需一种成本低廉、无损测量纳米光纤直径的装置和方法。
发明内容
本发明一种无损测量纳米光纤直径的装置及方法，克服了现有技术存在的不足，提供了一种无损测量纳米光纤直径的装置及方法,此方法测量纳米光纤直径后对纳米光纤无损坏，而且测量精度高、设备低廉、操作简单。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种无损测量纳米光纤直径的装置，包括测试激光器、光纤探针和光电探测器，测试激光器输出的激光依次经过第一普通光纤、第一锥形光纤、纳米光纤、第二锥形光纤和第二普通光纤后进入光电探测器，第一普通光纤、第一锥形光纤、纳米光纤、第二锥形光纤和第二普通光纤为一体成型；光纤探针用于对纳米光纤进行接触或分离，使光电探测器测得光纤探针接触纳米光纤不同位置下的测试激光的光强。
进一步，所述光纤探针的尖端为半球形，尖端的后端连接有一段圆柱形光纤，圆柱形光纤的后端连接有第三锥形光纤，第三锥形光纤的直径逐步***为第三普通光纤的直径。
进一步，所述光纤探针的制作方法包括以下步骤：
将裸光纤的两端分别固定在两个平移台上，裸光纤的中心位置放置在CO2激光器输出光束聚焦的焦点处；
开启CO2激光器，利用激光加热裸光纤并使用平移台向两侧拉伸裸光纤；
关闭CO2激光器，利用光纤切割刀将拉细后的裸光纤的中部切断；
开启CO2激光器，将激光聚焦至裸光纤的断面处，使之熔融，由光纤材料自身的张力形成尖端为半球形的光纤探针。
一种无损测量纳米光纤直径的方法，基于上述的一种无损测量纳米光纤直径的装置完成，包括以下步骤:
S1.将光纤探针半球形尖端接触纳米光纤的表面；
S2.将测试激光器输出的激光耦合进入与纳米光纤连接的第一普通裸光纤的一端；
S3.连接光电探测器与纳米光纤相连的第二普通光纤的一端，利用光电探测器测量纳米光纤输出光强P1；
S4.将光纤探针半球形尖端脱离纳米光纤表面，利用光电探测器测量纳米光纤输出光强P2；
S5.根据步骤S3和S4测量得到的两次光强计算得出纳米光纤的透射率T,计算公式为T=P1/P2；
S6.理论仿真模拟得到光纤探针与不同直径的纳米光纤接触时，纳米光纤的透射率与纳米光纤直径的对应结果；
S7.比对所测量透射率与理论仿真模拟结果,得到被测纳米光纤的直径。
进一步，所述步骤S6包括以下步骤：
根据无损测量纳米光纤直径装置的具体器件确定仿真模拟所建模型的尺寸参数，参数包括纳米光纤的直径和光纤探针的直径；
建立仿真模型，使光纤探针接触纳米光纤的表面；
使用时域有限差分法获得纳米光纤中光的透射率；
更改不同纳米光纤的直径，重复上述步骤，获得与之对应的纳米光纤中光的透射率，从而获得对应结果。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：采用本发明的装置及方法最终可以获得6纳米的测量精度,其直径测量范围可以达到0.75×λ至1.58×λ，λ为测试激光的波长。并且利用光纤探针接触纳米光纤的过程只是点接触，对纳米光纤透射率没有影响，测量后纳米光纤可以继续使用，为无损测量。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明装置中光纤探针的结构示意图。
图3为本发明中光纤探针的加工过程示意图。
图4为光纤探针接触纳米光纤后纳米光纤透射率的理论仿真结果图。
图5为本发明方法与扫描电子显微镜测量值的对比结果图。
图中，1-测试激光器，2-激光，3-第一普通光纤，4-第一锥形光纤，5-纳米光纤，6-第二锥形光纤，7-第二普通光纤，8-光电探测器，9-光纤探针，10-尖端，11-圆柱形光纤，12-第三锥形光纤，13-第三普通光纤，14-CO2激光器，15-透镜，16-平移台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例
如图1、图2所示，本发明一种无损测量纳米光纤直径的装置，包括测试激光器1、光纤探针9和光电探测器8，测试激光器1输出的波长为852nm的激光2依次经过第一普通光纤3、第一锥形光纤4、纳米光纤5、第二锥形光纤6和第二普通光纤7后进入光电探测器8，第一普通光纤3、第一锥形光纤4、纳米光纤5、第二锥形光纤6和第二普通光纤7为一体成型；光纤探针9用于对纳米光纤5进行接触或分离，使光电探测器8测得光纤探针9接触纳米光纤5不同位置下的测试激光的光强。
光纤探针9的尖端10为半球形，尖端10的后端连接有一段圆柱形光纤11，圆柱形光纤11的后端连接有第三锥形光纤12，第三锥形光纤12的直径逐步***为第三普通光纤13的直径。
如图3所示，本发明装置中的光纤探针9采用二氧化硅材料制作完成，由单模光纤加热拉伸而成。具体加工过程为：将单模光纤去皮得到裸光纤，将其两端固定在两个背向运动的平移台16上，裸光纤的中心位置放置在CO2激光器14输出光束聚焦焦点处，CO2激光器14输出的激光由透镜15聚焦，激光加热裸光纤并拉伸裸光纤；拉伸后关闭CO2激光器14，利用光纤切割刀将拉细后的光纤切断。再将CO2激光器14输出的激光聚焦至断面处将其熔融，由于二氧化硅自身张力将形成半球形尖端10的光纤探针9。
本发明还提供一种无损测量纳米光纤直径的方法，基于上述的一种无损测量纳米光纤直径的装置完成，包括以下步骤：
S1.将光纤探针9半球形尖端10接触纳米光纤5的表面；
S2.将测试激光器1输出的激光2耦合进入与纳米光纤5连接的第一普通裸光纤3的一端；
S3.连接光电探测器8与纳米光纤5相连的第二普通光纤7的一端，利用光电探测器8测量纳米光纤5输出光强P1；
S4.将光纤探针9半球形尖端10脱离纳米光纤5表面，利用光电探测器8测量纳米光纤5输出光强P2；
S5.根据步骤S3和S4测量得到的两次光强计算得出纳米光纤5的透射率T,计算公式为T=P1/P2；
S6.如图4所示，理论仿真模拟得到光纤探针9与不同直径的纳米光纤5接触时，纳米光纤5的透射率与纳米光纤5直径的对应结果；
S7.比对所测量透射率与理论仿真模拟结果,得到被测纳米光纤5的直径。
步骤S6包括以下步骤：
根据无损测量纳米光纤直径装置的具体器件确定仿真模拟所建模型的尺寸参数，参数包括纳米光纤的直径和光纤探针的直径；
建立仿真模型，使光纤探针9接触纳米光纤5的表面；
使用时域有限差分法获得纳米光纤5中光的透射率；
更改不同纳米光纤的直径，重复上述步骤，获得与之对应的纳米光纤中光的透射率，从而获得对应结果。
如图5所示，通过本方法得到纳米光纤直径，其测量结果与扫描电子显微镜测量结果十分接近。通过本方法最终获得6纳米的测量精度。纳米光纤直径测量范围可达637nm至1350nm。光纤探针接触纳米光纤的测量过程只是点接触，在测量范围内纳米光纤透射率没有受到影响，能够实现无损测量。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (5)

1.一种无损测量纳米光纤直径的装置，其特征在于：包括测试激光器（1）、光纤探针（9）和光电探测器（8），测试激光器（1）输出的激光（2）依次经过第一普通光纤（3）、第一锥形光纤（4）、纳米光纤（5）、第二锥形光纤（6）和第二普通光纤（7）后进入光电探测器（8），第一普通光纤（3）、第一锥形光纤（4）、纳米光纤（5）、第二锥形光纤（6）和第二普通光纤（7）为一体成型；光纤探针（9）用于对纳米光纤（5）进行接触或分离，使光电探测器（8）测得光纤探针（9）接触纳米光纤（5）不同位置下的测试激光的光强。
2.根据权利要求1所述的一种无损测量纳米光纤直径的装置,其特征在于: 所述光纤探针（9）的尖端（10）为半球形，尖端（10）的后端连接有一段圆柱形光纤（11），圆柱形光纤（11）的后端连接有第三锥形光纤（12），第三锥形光纤（12）的直径逐步***为第三普通光纤（13）的直径。
3.根据权利要求1或2所述的一种无损测量纳米光纤直径的装置,其特征在于：所述光纤探针（9）的制作方法包括以下步骤：
将裸光纤的两端分别固定在两个平移台（16）上，裸光纤的中心位置放置在CO2激光器（14）输出光束聚焦的焦点处；
开启CO2激光器（14），利用激光加热裸光纤并使用平移台（16）向两侧拉伸裸光纤；
关闭CO2激光器（14），利用光纤切割刀将拉细后的裸光纤的中部切断；
开启CO2激光器（14），将激光聚焦至裸光纤的断面处，使之熔融，由光纤材料自身的张力形成尖端（10）为半球形的光纤探针（9）。
4.一种无损测量纳米光纤直径的方法，其特征在于基于权利要求1-3任一所述的一种无损测量纳米光纤直径的装置完成，包括以下步骤:
S1.将光纤探针（9）半球形尖端（10）接触纳米光纤（5）的表面；
S2.将测试激光器(1)输出的激光（2）耦合进入与纳米光纤（5）连接的第一普通裸光纤（3）的一端；
S3.连接光电探测器（8）与纳米光纤（5）相连的第二普通光纤（7）的一端，利用光电探测器（8）测量纳米光纤（5）输出光强P1；
S4.将光纤探针（9）半球形尖端（10）脱离纳米光纤（5）表面，利用光电探测器（8）测量纳米光纤（5）输出光强P2；
S5.根据步骤S3和S4测量得到的两次光强计算得出纳米光纤（5）的透射率T,计算公式为T=P1/P2；
S6.理论仿真模拟得到光纤探针（9）与不同直径的纳米光纤（5）接触时，纳米光纤（5）的透射率与纳米光纤（5）直径的对应结果；
S7.比对所测量透射率与理论仿真模拟结果,得到被测纳米光纤（5）的直径。
5.根据权利要求4所述的一种无损测量纳米光纤直径的方法,其特征在于:所述步骤S6包括以下步骤：
根据无损测量纳米光纤直径装置的具体器件确定仿真模拟所建模型的尺寸参数，参数包括纳米光纤的直径和光纤探针的直径；
建立仿真模型，使光纤探针（9）接触纳米光纤（5）的表面；
使用时域有限差分法获得纳米光纤（5）中光的透射率；
更改不同纳米光纤的直径，重复上述步骤，获得与之对应的纳米光纤中光的透射率，从而获得对应结果。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108332857A (zh) * 2018-03-13 2018-07-27 山西大学 一种测量纳米光纤中光偏振的装置及方法
CN109655974A (zh) * 2019-01-22 2019-04-19 山西大学 一种可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器
CN110333170A (zh) * 2019-07-17 2019-10-15 山西大学 一种无损测量微球直径均匀度的测量装置及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6236783B1 (en) * 1996-09-06 2001-05-22 Kanagawa Academy Of Science And Technology Optical fiber probe and manufacturing method therefor
CN102207374A (zh) * 2010-03-31 2011-10-05 梁红 偏振光干涉法测量拉锥光纤直径的方法
JP2014067036A (ja) * 2012-09-25 2014-04-17 Ofs Fitel Llc 表面ナノスケール・アキシャル・フォトニックデバイスを製造する方法
CN106483074A (zh) * 2016-11-11 2017-03-08 重庆邮电大学 一种微纳光纤光声检测装置及其检测方法
CN106802190A (zh) * 2016-12-21 2017-06-06 华中科技大学 一种高灵敏无温度交叉干扰的光纤扭转传感器
CN106871802A (zh) * 2017-03-07 2017-06-20 太原理工大学 一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6236783B1 (en) * 1996-09-06 2001-05-22 Kanagawa Academy Of Science And Technology Optical fiber probe and manufacturing method therefor
CN102207374A (zh) * 2010-03-31 2011-10-05 梁红 偏振光干涉法测量拉锥光纤直径的方法
JP2014067036A (ja) * 2012-09-25 2014-04-17 Ofs Fitel Llc 表面ナノスケール・アキシャル・フォトニックデバイスを製造する方法
CN106483074A (zh) * 2016-11-11 2017-03-08 重庆邮电大学 一种微纳光纤光声检测装置及其检测方法
CN106802190A (zh) * 2016-12-21 2017-06-06 华中科技大学 一种高灵敏无温度交叉干扰的光纤扭转传感器
CN106871802A (zh) * 2017-03-07 2017-06-20 太原理工大学 一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
代方等: "基于纳米磁珠放大的高灵敏度纳米光纤生化传感器", 《光学学报》 *
成凡等: "利用半球型光纤针非破坏性测量锥形纳米光纤的直径", 《第十七届全国量子光学学术会议》 *
白银冰: "光纤微加工技术及器件应用研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
童利民等: "《纳米光子学研究前沿》", 31 October 2014 *
马成举等: "锥形微纳光纤最优化外形轮廓的理论和实验研究", 《2013 年(第五届)西部光子学学术会议论文集》 *
高然: "微纳加工技术下光纤传感器的研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108332857A (zh) * 2018-03-13 2018-07-27 山西大学 一种测量纳米光纤中光偏振的装置及方法
CN109655974A (zh) * 2019-01-22 2019-04-19 山西大学 一种可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器
CN110333170A (zh) * 2019-07-17 2019-10-15 山西大学 一种无损测量微球直径均匀度的测量装置及方法
CN110333170B (zh) * 2019-07-17 2020-06-12 山西大学 一种无损测量微球直径均匀度的测量装置及方法

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