CN111349886A - 一种自旋转光纤镀膜掩膜装置及应用该装置的镀膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，包括固定支撑结构、设于固定支撑结构上并用于光纤旋转的驱动结构以及对光纤在镀膜时进行掩膜保护的掩膜结构。本发明的自旋转光纤镀膜掩膜装置在镀膜过程中具有均匀的旋转速度，可以在光纤圆柱侧面上均匀的溅射膜层，整个自旋转光纤镀膜掩膜装置具有单独封闭结构，即使出现故障也不会影响镀膜腔室的环境、镀膜质量，更不会破坏镀膜装置。该装置体积小，结构坚固非常适用于磁控溅射仪此类镀膜室空间狭小的镀膜仪。此装置设计有掩膜结构，可以实现多膜结构的工艺。另外，此装置还适用于其他柱状体的侧面镀膜且镀膜仪器除磁控溅射仪外，亦可用真空蒸镀或离子镀膜仪替代。

Description

一种自旋转光纤镀膜掩膜装置及应用该装置的镀膜方法
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，更具体地，涉及一种自旋转光纤镀膜掩膜装置及应用该装置的镀膜方法。
背景技术
光纤是一种利用光在玻璃塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具,基于它的通信容量大、中继距离长、不受电磁干扰、重量轻体积小的优点,在通信方面得到了广泛的应用。光纤技术的快速发展致使光纤在通信、传感等领域得到了广泛的应用。在光通信领域，光信号探测或传输需要光纤具有一定的光反射能力，而常规作法是在光纤表面镀膜来提高光反射能力。在光传感领域，光纤表面等离子共振传感器技术受到了广泛关注和研究，表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)是发生在金属和电介质界面的一种物理光学现象。由于光纤SPR现象对光的入射条件以及环境介质的介电常数变化及其敏感，因而光纤SPR传感技术在生化、医学等传感领域得到了研究者的持久关注。通常，光纤SPR传感器需要将普通光纤进行去包层或拉锥等预处理，再在裸露的纤芯上镀厚度均匀的金属或金属氧化物薄膜作为表面等离子体波的载体。
现有技术中用于光纤镀膜手段主要包括：1、光纤化学镀；2、物理气相沉积法、3、磁控溅射法等。而化学镀需要专用设备，受制于膜层种类，所能镀制膜层种类单一且镀膜过程繁琐，不易做到膜层厚度精确控制，且加工效率很低，难以满足大批量生产的要求。物理气相沉积法过程简单，但需要高温源对反应材料进行加热。磁控溅射法不仅过程简单，薄膜厚度容易控制且能镀多种膜层，可实现较高速率和低温的操作。对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。
目前磁控溅射设备大多都是专门用于基底是平面，大小比较固定的光学镀膜，不适用于光纤圆柱体表面镀膜。随着光器件的研究的发展，在光纤上镀膜的材料种类多种多样，工艺复杂度也不断加大。为了满足镀膜顺序和镀膜结构设计的需要，光纤在镀膜时不仅要实现自旋转，而且实现掩膜工艺，需要设计相应的镀膜旋转掩膜夹具。现有技术公开了一种可用于在光纤侧面上镀膜的旋转夹具，该装置的不足之处在于装置昂贵，并且体积较大，而一般镀膜真空装置腔室比较小；此外，在真空状态下也不能实现光纤掩膜工艺，需要多次破坏真空实验环境，进而影响镀膜质量。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中镀膜装置体积大，成本高且在真空状态下不能实现光纤掩膜工艺，需要多次破坏真空实验环境，进而影响镀膜质量的问题，提供一种自旋转光纤镀膜掩膜装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，包括固定支撑结构、设于所述固定支撑结构上并用于光纤旋转的驱动结构以及对光纤在镀膜时进行镀膜保护的掩膜结构。
优选地，所述固定支撑结构包括两组固定板，所述驱动结构以及掩膜结构安装在两组所述固定板之间。
优选地，所述驱动结构包括安装在两组固定板相对面上且相互啮合的中间齿轮以及从动齿轮、与其中一组固定板上的中间齿轮相啮合的主动齿轮以及连接在两组所述中间齿轮的连接杆；所述从动齿轮上设置有用于安装光纤的固定结构。
优选地，所述固定结构包括与所述从动齿轮固定连接并安装在固定板外侧面的固定轴、沿固定轴轴向设置并贯穿所述从动齿轮的中心孔以及设于固定轴周面上并用于锁紧光纤的螺钉结构。
优选地，所述掩膜结构包括安装在两组所述固定板之间的支撑轴、安装在所述支撑轴上若干个掩膜块以及设于所述掩膜块上并用于光纤穿设而过的掩膜块穿孔。
优选地，所述掩膜块与所述支撑轴转动连接，所述掩膜块在与所述支撑轴连接处设置有固定螺钉。
优选地，所述掩膜块穿孔与所述中心孔的轴线处于同一直线上。
优选地，所述掩膜块设置有两组。
优选地，所述固定板的外侧面设置有与所述主动齿轮固定连接的动力输出轴，所述动力输出轴通过联轴器连接有电机。
本发明还提出一种光纤圆柱侧面均匀镀膜方法，采用如上所述的自旋转光纤镀膜掩膜装置，包括如下步骤：
S1：将去掉外保护层的光纤分别从中心孔穿入、经掩膜块的掩膜块穿孔、再经中心孔穿出，并将光纤两端通过螺钉结构固定在从动齿轮上的固定轴上；
S2：移动掩膜块在支撑轴上的位置，对不需要镀膜处理的光纤进行掩膜保护；
S3：将自旋转光纤镀膜掩膜装置安装在镀膜仪器的腔室内；
S4：打开仪器抽真空，待达到试验要求条件下，打开与动力输出轴连接的步进电机并调节其速度带动光纤旋转，根据镀膜要求，设置镀膜仪器参数对光纤圆柱侧面进行均匀镀膜。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明的自旋转光纤镀膜掩膜装置在镀膜过程中具有均匀的旋转速度，可以在光纤圆柱侧面上均匀的溅射膜层，整个自旋转光纤镀膜掩膜装置具有单独封闭结构，即使出现故障也不会影响镀膜腔室的环境、镀膜质量，更不会破坏镀膜装置。该装置体积小，结构坚固非常适用于磁控溅射仪此类镀膜室空间狭小的镀膜仪。此装置设计有掩膜结构，可以实现多膜结构的工艺。另外，此装置还适用于其他柱状体的侧面镀膜且镀膜仪器除磁控溅射仪外，亦可用真空蒸镀或离子镀膜仪替代。
本发明有利于在光纤圆周表面生长出均匀的、多层的金属、金属氧化物、非金属薄膜，在光纤通讯和表面等离子共振传感器中具有重要意义。其装置体积小、结构简单、零件易于获得和装配、价格低廉、可重复使用、容易实现大批量生产。
附图说明
图1是本发明自旋转光纤镀膜掩膜装置的立体图I；
图2是本发明自旋转光纤镀膜掩膜装置的立体图II；
附图中，1-固定支撑结构、2-安装孔、3-驱动结构、4-掩膜结构、5-固定板、6-固定轴、7-中心孔、8-螺钉结构、31-中间齿轮、32-从动齿轮、33-主动齿轮、34-连接杆、35-动力输出轴、41-支撑轴、42-掩膜块、43-掩膜块穿孔、44-固定螺钉。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1
如图1至图2所示，一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，包括固定支撑结构1、设于固定支撑结构1上并用于光纤旋转的驱动结构3以及对光纤在镀膜时进行掩膜保护的掩膜结构4。本实施例中的自旋转光纤镀膜掩膜装置在镀膜过程中具有均匀的旋转速度，可以在光纤圆柱侧面上均匀的溅射膜层，整个自旋转光纤镀膜掩膜装置具有单独封闭结构，即使出现故障也不会影响镀膜腔室的环境、镀膜质量，更不会破坏镀膜装置。该装置体积小，结构坚固非常适用于磁控溅射仪此类镀膜室空间狭小的镀膜仪。此装置设计有掩膜结构4，可以实现多膜结构的工艺。另外，此装置还适用于其他柱状体的侧面镀膜且镀膜仪器除磁控溅射仪外，亦可用真空蒸镀或离子镀膜仪替代。
其中，固定支撑结构1包括两组固定板5，驱动结构3以及掩膜结构4安装在两组固定板5之间。在自旋转光纤镀膜掩膜装置安装在镀膜仪器的腔室内，固定板5可以与腔室底部相连。需要说明的是，固定板5上设置有安装孔2，通过在安装孔2中设置螺钉结构，可以将该装置固定在镀膜仪器的腔室内。
另外，驱动结构3包括安装在两组固定板5相对面上且相互啮合的中间齿轮31以及从动齿轮32、与其中一组固定板5上的中间齿轮31相啮合的主动齿轮33以及连接在两组中间齿轮31的连接杆34；从动齿轮32上设置有用于安装光纤的固定结构。在本实施例中，连接杆34连接在两组中间齿轮31上，工作时连接杆34可以将主动齿轮33这一侧的中间齿轮31的传动传递至另一侧中间齿轮31；中间齿轮31与连接杆34还承担整个装置工作时的转矩和力矩，从而可以有效保证装置的稳定性能，从而可以使得安装在两组从动齿轮32之间的光纤不承受扭力，避免了光纤随着从动齿轮32旋转的过程中受力中断而影响镀膜质量。需要说明的是，连接杆34设置在两组中间齿轮31的中心位置。
其中，固定结构包括与从动齿轮32固定连接并安装在固定板5外侧面的固定轴6、沿固定轴6轴向设置并贯穿从动齿轮32的中心孔7以及设于固定轴6周面上并用于锁紧光纤的螺钉结构8。光纤的两端安装在固定轴6的中心孔7中，并利用螺钉结构8锁紧，使得光纤能够随着从动齿轮32的旋转而转动。
另外，掩膜结构4包括安装在两组固定板5之间的支撑轴41、安装在支撑轴41上若干个掩膜块42以及设于掩膜块42上并用于光纤穿设而过的掩膜块穿孔43。需要说明的是，在对光纤进行镀膜处理时，如果光纤上的某一位置不需要进行镀膜处理，可以利用掩膜块42上的掩膜块穿孔43对光纤进行掩膜保护，避免这一部分的光纤被镀膜。此外，掩膜块穿孔43沿支撑轴41轴向方向设置在掩膜块42上。
其中，掩膜块42与支撑轴41转动连接，掩膜块42在与支撑轴41连接处设置有固定螺钉44。需要说明的是，掩膜块42可以在支撑轴41上左右移动，当需要对某一处的光纤进行掩膜保护时，将掩膜块42移动到合适的位置，并将掩膜块42转动到合适的角度后，利用固定螺钉44将掩膜块42与支撑轴41锁紧，防止掩膜块42与支撑轴41的位置发生变化，然后将光纤从该掩膜块42的掩膜块穿孔43中穿入。此外，掩膜块42可以在支撑轴41轴上移动，这样可以使得在进行多层镀膜时，通过掩膜块42的移动，可以实现不同长度的镀膜处理。此外，掩膜块42在掩膜块42支轴上可以左右移动，根据镀膜工艺的需要可以对多个掩膜块42之间的距离进行调节。
另外，掩膜块穿孔43与中心孔7的轴线处于同一直线上。为了防止光纤在旋转的过程中被拉断，在镀膜处理中需要使用的掩膜块42，其掩膜块穿孔43的高度应与中心孔7保持一致，这样可以使得光纤从掩膜块穿孔43与中心孔7形成的轴线上穿过。
其中，掩膜块42设置有两组。可以根据镀膜参数，调节两组掩膜块42之间的距离。
另外，固定板5的外侧面设置有与主动齿轮33固定连接的动力输出轴35，动力输出轴35通过联轴器连接有电机。输出轴可以通过联轴器连接电机，通过电机带动输出轴、从而带动主动齿轮33旋转。在本实施例中，电机最好采用步进电机，这样有利于控制主动齿轮33的速度，通过控制步进电机调节镀膜速度。
实施例2
本发明还提出一种光纤圆柱侧面均匀镀膜方法，采用如上的自旋转光纤镀膜掩膜装置，包括如下步骤：
S1：将去掉外保护层的光纤依次穿过固定轴6上的中心孔7、掩膜块穿孔43、固定轴6上的中心孔7，并将光纤两端通过螺钉结构8固定在从动齿轮32上的固定轴6上；
S2：调节掩膜块42在支撑轴41上的位置，对不需要镀膜处理的光纤进行掩膜保护；
S3：将自旋转光纤镀膜掩膜装置安装在镀膜仪器的腔室内；
S4：打开仪器抽真空，待达到试验要求条件下，打开与动力输出轴35连接的步进电机并调节其速度带动光纤旋转，根据镀膜要求，设置镀膜仪器参数对光纤圆柱侧面进行均匀镀膜。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，其特征在于：包括固定支撑结构(1)、设于所述固定支撑结构(1)上并用于光纤旋转的驱动结构(3)以及对光纤在镀膜时进行掩膜保护的掩膜结构(4)。
2.根据权利要求1所述的一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，其特征在于：所述固定支撑结构(1)包括两组固定板(5)，所述驱动结构(3)以及掩膜结构(4)安装在两组所述固定板(5)之间。
3.根据权利要求2所述的一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，其特征在于：所述驱动结构(3)包括安装在两组固定板(5)相对面上且相互啮合的中间齿轮(31)以及从动齿轮(32)、与其中一组固定板(5)上的中间齿轮(31)相啮合的主动齿轮(33)以及连接在两组所述中间齿轮(31)的连接杆(34)；所述从动齿轮(32)上设置有用于安装光纤的固定结构。
4.根据权利要求3所述的一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，其特征在于：所述固定结构包括与所述从动齿轮(32)固定连接并安装在固定板(5)外侧面的固定轴(6)、沿固定轴(6)轴向设置并贯穿所述从动齿轮(32)的中心孔(7)以及设于固定轴(6)周面上并用于锁紧光纤的螺钉结构(8)。
5.根据权利要求4所述的一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，其特征在于：所述掩膜结构(4)包括安装在两组所述固定板(5)之间的支撑轴(41)、安装在所述支撑轴(41)上若干个掩膜块(42)以及设于所述掩膜块(42)上并用于光纤穿设而过的掩膜块穿孔(43)。
6.根据权利要求5所述的一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，其特征在于：所述掩膜块(42)与所述支撑轴(41)转动连接，所述掩膜块(42)在与所述支撑轴(41)连接处设置有固定螺钉(44)。
7.根据权利要求5所述的一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，其特征在于：所述掩膜块穿孔(43)与所述中心孔(7)的轴线处于同一直线上。
8.根据权利要求5所述的一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，其特征在于：所述掩膜块(42)设置有两组。
9.根据权利要求3所述的一种自旋转光纤镀膜掩膜装置，其特征在于：所述固定板(5)的外侧面设置有与所述主动齿轮(33)固定连接的动力输出轴(35)，所述动力输出轴(35)通过联轴器连接有电机。
10.一种光纤圆柱侧面均匀镀膜方法，其特征在于：采用如权利要求4至9任一项所述的自旋转光纤镀膜掩膜装置，包括如下步骤：
S1：将去掉外保护层的光纤依次从中心孔(7)穿入、经掩膜块(42)的掩膜块穿孔(43)、再经中心孔(7)穿出，并将光纤两端通过螺钉结构(8)固定在从动齿轮(32)上的固定轴(6)上；
S2：移动掩膜块(42)在支撑轴(41)上的位置，对不需要镀膜处理的光纤进行掩膜保护；
S3：将自旋转光纤镀膜掩膜装置安装在镀膜仪器的腔室内；
S4：打开仪器抽真空，待达到试验要求条件下，打开与动力输出轴连接的步进电机并调节其速度带动光纤旋转，根据镀膜要求，设置镀膜仪器参数对光纤圆柱侧面进行均匀镀膜。
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