一种材料填充型中空光纤光栅及其制备方法与流程

1.发明属于光纤光栅技术领域，特别涉及一种材料填充型中空光纤光栅及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，光纤光栅的飞速发展引起了科学家们的关注。光纤光栅的原理是利用了光学材料的光敏性，使光纤的折射率受到周期性的调制，从而形成一维周期结构。在满足相位匹配的前提下，光纤光栅使共振波长模式之间发生耦合来达到波长选择。光纤光栅根据周期可以分为两类：光纤布拉格光栅(fbg)和长周期光纤光栅(lpfg)。光纤布拉格光栅的周期通常为几百纳米，在纤芯中正、反向传输模式之间发生耦合，能够反射特定波长的输入光，是一种可用作窄带通滤波器的反射型光栅；长周期光纤光栅一般以几十到几百微米为周期，耦合发生在光纤中同向传输的纤芯导模和包层模之间，是一种透射型光栅，可用作透射性带阻滤波器。
3.近年来，光纤光栅传感器因其体积小、测量精度高，可以实现多参量测量等优点而发展迅速。如专利号为cn109682402a的“一种光纤光栅传感器”，其特征是，通过在光纤纤芯上两两间隔的开设多个通孔，并一一对应的填充传感材料，由于每个传感材料均用于反射不同且相互独立的波长范围的光波，且所反射光波的波长随着所测参数的变化而变化；通过光谱仪反映被截留光波的波长，即能够对应的得到被测参数的数值，实现多参数的传感和测量。该方法由于是破坏光纤纤芯，导致光纤的机械强度以及使用寿命降低，且制作工艺复杂，不利于大面积推广。本发明相较于上述发明，有效避免了在光纤上打孔的难点，并且具有光纤纤芯无物理损伤、使用寿命长、机械强度高等优点。


技术实现要素：

4.本发明的内容在于提出一种具有低插入损耗、光纤纤芯无物理损伤、使用寿命长、机械强度高等优点的光纤光栅，以及易实现多周期光纤光栅以及无掩模刻写光纤光栅的制备方法。并且注入不同功能材料或生物细胞可改变包层的折射率，实现对不同波长光波的反射，可应用于检测生物细胞繁殖情况、光纤传感等多个领域的一种材料填充型中空光纤光栅及其制备方法。
5.为达到上述目的，本发明提出了一种材料填充型中空毛细管光纤：
6.一种材料填充型中空光纤光栅，包括光纤环形包层(1)、空气孔包层(4)、光纤纤芯(3)。空气孔包层(4)位于光纤环形包层(1)中央，光栅位于光纤环形包层(1)内壁，折射率沿光纤长度方向呈周期性分布，光栅与光纤纤芯距离小于3微米或直接接触以形成弱耦合。
7.上述方案中，所述的光纤中包括环形包层、空气孔包层和纤芯，纤芯位于环形包层中或悬挂于环形包层内壁。
8.上述方案中，所述的毛细管光纤空气孔可以为单孔、双孔或多孔。
9.本发明设计的一种材料填充型中空光纤光栅的制备方法，包括以下步骤：
10.步骤一：将毛细管加热并拉断，形成锥形尖端，尖端直径约2微米左右。将充入液态功能材料的毛细管对准待刻写毛细管光纤的空气孔包层，加压注射器，使液态功能材料充满毛细管光纤中央空气孔(4)中；
11.步骤二：将待刻写毛细管光纤的一端进行熔融拉锥，在光纤一端制备出半封闭腔；
12.步骤三：将上一步中制备出的半封闭腔固定在光纤熔接机内，再将注射器固定在注射泵上，通过调节注射器泵的推进速度、推进次数及间隔时间，液态功能材料周期性填充进入半封闭腔的空气孔包层中，从而使折射率呈周期性变化。通过监测熔接机的显示屏可以实时监测液态功能材料的填充情况；
13.步骤四：最后使用熔融加热法对刻写完毕的毛细管光纤两端另一端进行熔融拉锥，将微流体通道封堵，实现毛细管光纤空气孔包层的长周期光栅阵列。该光栅阵列与光纤纤芯弱耦合、距离小于3微米或直接接触。
14.上述方案中，所用的功能材料为油滴或其他液体功能材料。
15.上述方案中，所填充的功能材料可为生物细胞，周期性排列后形成光栅。
16.上述方案中，所述的光栅形成在毛细管光纤的空气孔包层中。
17.上述方案中，所用的功能材料以及气泡尺寸为50微米。
18.上述方案中，所述的光栅阵列周期取决于注入功能材料的周期性分布。
19.上述方案中，可选择毛细管虹吸方法进行功能材料填充。
20.本发明具有以下优点：现有技术制作的光纤光栅传感器，都是将光栅阵列刻写在光纤纤芯中，不易封装，且损耗较大。本发明中设计的毛细管光纤光栅，用加压注射的方式将光栅封堵在包层中，具有低插入损耗、光纤纤芯无物理损伤、结构简单等优点，易实现多周期光纤光栅以及无掩模刻写光纤光栅，可应用于光纤传感、生物医疗等多个领域。
附图说明
21.图1为本发明设计的一种材料填充型中空光纤光栅的制备示意图。
22.图2(a)为本发明设计的一种材料填充型中空光纤光栅的横截面示意图。
23.图2(b)为本发明设计的一种双芯材料填充型中空光纤光栅的横截面示意图。
24.图2(c)为本发明设计的一种悬挂芯材料填充型中空光纤光栅的横截面示意图。
25.图3为波长1550nm，光栅周期534nm的单芯毛细管光纤光栅仿真反射光谱示意图。
26.图中1是毛细管光纤环形包层；2是功能材料；3是光纤纤芯；4是空气孔包层。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明做进一步描述：
28.本发明通过材料填充的方式将光栅制备在毛细管光纤的空气孔包层中，纤芯与光栅弱耦合，距离小于3微米或直接接触，从而实现对光路的调制。包层光栅的形成是利用注射器对功能材料进行加压注射，通过调节注射泵推进速度及间隔时间，功能材料在空气孔包层中周期性填充，从而使折射率呈周期性变化。最后利用电弧放电熔融拉锥的热加工方式，将微流体通道封堵，实现毛细管光纤空气孔包层的光栅阵列。本发明的提出具有低插入损耗、光纤纤芯无物理损伤、结构简单等优点，易实现多周期光纤光栅以及无掩模刻写光纤光栅，并且注入不同液体材料可改变包层的折射率，实现对不同波长光波的反射，可应用于
光纤传感、通信等多个领域。
29.所用的功能材料可以为油滴或其他液体功能材料。
30.毛细管光纤空气孔的数量可以扩展到双孔、多孔。
31.实施例1：
32.如图1所示，本发明设计的一种材料填充型中空光纤光栅的制备示意图，包括四层结构：光纤环形包层、空气孔包层、光纤光栅、光纤纤芯。制备包括以下步骤：
33.步骤1.1：将毛细管加热并拉断，形成锥形尖端，尖端直径约2微米左右。将充入液态功能材料的毛细管对准待刻写毛细管光纤的空气孔包层，加压注射器，使液态功能材料充满毛细管光纤中央空气孔中；
34.步骤1.2：将待刻写毛细管光纤的一端进行熔融拉锥，在光纤一端制备出半封闭腔；
35.步骤1.3：将上一步中制备出的半封闭腔固定在光纤熔接机内，再将注射器固定在注射泵上，通过调节注射器泵的推进速度、推进次数及间隔时间，液态功能材料周期性填充进入半封闭腔的空气孔包层中，从而使折射率呈周期性变化。通过监测熔接机的显示屏可以实时监测液态功能材料的填充情况；
36.步骤1.4：最后使用熔融加热法对刻写完毕的毛细管光纤两端另一端进行熔融拉锥，将微流体通道封堵，实现毛细管光纤空气孔包层的长周期光栅阵列。该光栅阵列与光纤纤芯弱耦合、距离小于3微米或直接接触。
[0037][0038]
实施例2：
[0039]
如图2(b)所示，本发明设计的一种双孔材料填充型中空光纤光栅的制备示意图，空气孔对称分布于纤芯两侧，每个空气孔负责一个光栅阵列，具体制备方案如下：
[0040]
步骤2.1：将毛细管加热并拉断，形成锥形尖端，尖端直径约2微米左右。将充入液态功能材料的毛细管对准待刻写毛细管光纤的空气孔包层，加压注射器，使液态功能材料充满毛细管光纤中央空气孔(4)中
[0041]
步骤2.2：将待刻写毛细管光纤的一端进行熔融拉锥，在光纤一端制备出半封闭腔；
[0042]
步骤2.3：将上一步中制备出的半封闭腔固定在光纤熔接机内，再将注射器固定在注射泵上，通过调节注射器泵的推进速度、推进次数及间隔时间，液态功能材料周期性填充进入半封闭腔的空气孔包层中，从而使折射率呈周期性变化。重复上述过程，使液态功能材料填充进入第二个空气孔包层中。通过监测熔接机的显示屏可以实时监测液态功能材料的填充情况；
[0043]
步骤2.4：最后使用熔融加热法对刻写完毕的毛细管光纤两端另一端进行熔融拉锥，将微流体通道封堵，实现毛细管光纤空气孔包层的双周期光栅阵列。该光栅阵列与光纤纤芯弱耦合、距离小于3微米或直接接触。
[0044]
本发明提出了一种材料填充型中空光纤光栅及其制备方法，属于光纤光栅技术领域。该毛细管光纤光栅包括光纤环形包层、空气孔包层、光纤纤芯。空气孔包层与光纤纤芯距离小于3微米或直接接触。该光纤光栅的制备方法为：功能材料利用加压注射的方式对光纤空气孔包层进行填充。通过调节注射泵的推进速度、推进次数及间隔时间，功能材料在空
气孔包层中周期性填充，从而使折射率呈周期性变化。最后对毛细管光纤进行熔融拉锥，将微流体通道封堵，实现毛细管光纤空气孔包层的长周期光栅阵列。本发明中所设计的材料填充型中空光纤光栅，具有低插入损耗、光纤纤芯无物理损伤、结构简单等优点，易实现多周期光纤光栅以及无掩模刻写光纤光栅，并且注入不同功能材料可改变包层的折射率，实现对不同波长光波的反射，可应用于光纤传感、生物医疗等多个领域。