一种多边形周期结构蓝宝石光纤包层的制作方法

1.本发明涉及一种多边形周期结构蓝宝石光纤包层的制作方法，属于光纤传感领域。


背景技术：

2.高温恶劣环境下物理参数的测量在航空航天，能源采集，环境监测，冶金制造等领域有着广泛的需求，尤其是在航空发动机，重型燃气轮机，高超声速飞行器及火箭发动机等动力设备，工作温度接近1700℃。蓝宝石作为一种耐高温材料，其熔点在2043℃，制作成光纤之后其正常工作温度能达到1800℃。但是蓝宝石光纤是一种多模光纤，其波导形式是以自身为纤芯，空气为包层，很难实现单模或者少模传输，使用蓝宝石光纤构成光纤干涉型传感器，所形成的干涉信号包含模式耦合，模间干涉等影响，增加了信号的复杂度，不利于干涉信号的解调。
3.为了能更好的使用蓝宝石光纤制作光纤传感器，弗吉尼亚理工大学的王安波等人，通过浓硫酸浓磷酸的3:1混合液，在330℃的高温下腐蚀了42.5小时，将芯径为125μm的蓝宝石光纤腐蚀到9.6μm，以实现准单模传输，从而提高了信号质量(yang,shuo,et al."fiber bragggrating fabricated in micro-single-crystal sapphire fiber."optics letters 43.1(2018):62-65.)。该化学腐蚀的工艺危险性较高，并且刻蚀速率较慢，得到的极细纤芯的蓝宝石光纤非常脆弱，不利于进行传感器的制作。美国伊利诺伊大学的p.dragic等人，通过在蓝宝石光纤外层加入石英，使得外部石英材料作为蓝宝石光纤的包层，蓝宝石光纤本身作为纤芯，形成蓝宝石衍生光纤，从而提高光纤的耦合效率，降低传输损耗(dragic,p.,et al."sapphire-derived all-glassoptical fibres."nature photonics 6.9(2012):627-633.)。该方法需要将蓝宝石预制棒与石英套管结合之后再进行光纤拉制，对光纤拉制设备和拉制工艺要求极高。美国匹兹堡国家能源技术实验室s.bera等人通过溶胶-凝胶法，采用铝酸镁尖晶石制备蓝宝石光纤包层(bera,s.,et al. "fabrication and evaluation of sapphire fiber cladding via magnesium aluminate spinel sol-gelbased approaches."fiber optic sensors and applications xvi.vol.11000.international society foroptics and photonics,2019.)。该方法得到的蓝宝石光纤包层很薄且很难保证均一性。美国俄亥俄州立大学b.a.wilson等人通过离子注入的方式，将6li(n,α)3h注入到蓝宝石光纤中制作出了纤芯(wilson,brandon augustus,et al."modeling of the creation of an internal cladding insapphire optical fiber using the 6li(n,α)3h reaction."journal of lightwave technology 36.23 (2018):5381-5387.)，该方法工艺复杂，成功率较低，所形成的纤芯不均匀。以上提高蓝宝石光纤传光效率的方法，工艺复杂，对实验设备，制作要求都很高，并且也很难保证一个稳定一致的结果。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决蓝宝石光纤纤芯芯径大，传输光不仅损耗大，而且模式复杂，造成的干涉信号信噪比低的问题，通过在蓝宝石光纤上制作包层使得光纤中的光信号能够被束缚在纤芯内部，降低了传输损耗，提高了蓝宝石光纤中基模的能量。至此，提出一种多边形周期结构的蓝宝石光纤包层的制作方法。
5.为了实现发明目的，本发明采用的技术方案是：一种多边形周期结构蓝宝石光纤包层的制作方法，该方法首先需要以蓝宝石光纤外径为内切圆，形成正多边形结构，然后在多边形顶点的位置对蓝宝石光纤进行刻蚀，刻蚀之后的部分由于材料的去除只剩下空气，未刻蚀的部分保持原有的折射率，这样就在蓝宝石光纤表面构成了一种空气与材料相结合的多边形的周期结构，相较于之前实心的蓝宝石光纤，这种周期性结构能够降低有效折射率。
6.作为一种优选：本发明中采用飞秒激光制作蓝宝石光纤包层的刻蚀方法通过以下步骤实现：
7.1.采用去离子水清洗，将蓝宝石光纤表面的杂质和残留物去除。
8.2.将光纤水平放置于飞秒激光加工平台，并调整激光光斑的位置，使其聚焦于光纤表面。
9.3.围绕蓝宝石光纤光轴方向360
°
，分别在正多边形顶点位置，沿着蓝宝石光纤径向，采用飞秒激光刻蚀出宽度与深度比值小于0.5的凹槽，从而在蓝宝石光纤侧表面形成周期排布的结构。
10.4.通过去离子水将加工之后的光纤碎屑清洗干净。
11.作为一种优选：包层和纤芯的相对折射率差要小于1％。
12.作为一种优选：宽度与深度的比值小于0.5。
13.作为一种优选：深度范围为蓝宝石光纤直径的10-35％。
14.本发明专利较现有技术有以下有益效果：
15.1.本发明在蓝宝石光纤上刻蚀出周期结构的微槽，降低了光纤周遭的有效折射率，缩小了蓝宝石光纤的纤芯，提高了光纤的传输效率，降低了传输损耗。
16.2.本发明采用飞秒激光微纳加工工艺，能做到纳米级的加工，保证了加工精度，并且其精准的刻蚀，使得刻蚀出的微槽一致性好，传输效率沿光纤轴向能保持一致。
17.3.本发明制作出的蓝宝石光纤没有其他元素材料的混合，能够充分发挥蓝宝石材料本身的耐高温特性。
附图说明
18.图1为本发明所述的蓝宝石光纤周期结构端面图；
19.图2为本发明所述的飞秒激光加工蓝宝石光纤系统图；
20.图3为本发明所述的蓝宝石光纤周期结构的侧面图；
21.图4为本发明所述的蓝宝石光纤周期结构的立体图；
22.图5为本发明所述的蓝宝石光纤周期结构传输光的comsol仿真图；
23.图6为本发明所述的蓝宝石光纤周期结构显微图。
24.图中：1-飞秒激光光束；2-光学显微物镜；3-蓝宝石光纤；4-平移台。
具体实施方式
25.为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
26.实施例：
27.如图1至图6所示：一种多边形周期结构蓝宝石光纤包层的制作方法，该方法首先需要以蓝宝石光纤外径为内切圆，形成正多边形结构，然后在多边形顶点的位置对蓝宝石光纤进行刻蚀，刻蚀之后的部分由于材料的去除只剩下空气，未刻蚀的部分保持原有的折射率，这样就在蓝宝石光纤表面构成了一种空气与材料相结合的多边形的周期结构，相较于之前实心的蓝宝石光纤，这种周期性结构能够降低有效折射率。为了使得蓝宝石光纤达到弱导条件，其包层和纤芯的相对折射率差要小于1％，而包层部分的有效折射率与刻蚀得到的周期结构的深度和宽度有关。经过有限元分析结合comsol软件进行仿真，当宽度与深度的比值小于0.5 时，且深度范围为蓝宝石光纤直径的10-35％，才能够达到对蓝宝石光纤中传输光的束缚作用并且能够实现少模或者单模的传输形式。
28.采用芯径为75μm的蓝宝石光纤进行设计制作，以直径d为75μm的圆柱型光纤为内切圆，设计成正多边形结构，此处以正六边形为例，如图1所示，然后以正六边形的六个顶点为中心，沿着半径方向设置刻蚀深度为25μm，即a＝25μm。在垂直于半径方向设置刻蚀宽度为 6.25μm，即b＝6.25μm。
29.制作蓝宝石光纤包层的飞秒激光刻蚀方法，其制作步骤包含：
30.1.采用去离子水清洗，将蓝宝石光纤表面的杂质和残留物去除。
31.2.采用的飞秒激光波长为800nm，脉宽35fs，重频1000hz，刻蚀功率为0.3mw，扫描速度为100μm/s，水辅助刻蚀。将蓝宝石光纤3水平放置在平移台4上，采用20倍的光学显微物镜2将飞秒激光光束1聚焦至蓝宝石光纤侧表面，如图2所示。
32.3.设置加工参数，对蓝宝石光纤进行刻蚀，围绕蓝宝石光纤光轴方向360
°
，分别在0
°
， 60
°
，120
°
，180
°
，240
°
，300
°
位置，沿着蓝宝石光纤径向，采用飞秒激光刻蚀出宽度12.5μm，深度为25μm的凹槽，从而在蓝宝石光纤侧表面形成周期排布的结构，如图3、4所示。
33.4.所采用的蓝宝石光纤为75μm，刻蚀周期结构按照六边形分布，凹槽宽度为20μm，刻蚀深度为20μm。所刻蚀出的周期结构垂直于光纤轴向进行圆周排布，并在平行于光纤轴向进行延伸，长度为10mm。
34.5.对刻蚀完成的结构采用去离子水进行清洗，去除刻蚀过程中产生的碎屑。
35.对刻蚀结构进行comsol传输光模式仿真，如图5所示，传输光模式适合基模传输，并能够极大程度上将能量集中在光纤内部。制作完成的实际结构如图6所示。
36.蓝宝石光纤刻蚀之后的外圆周部分由于材料去除使得其有效折射率降低，未被刻蚀的光纤中心部分则保持原有折射率，使得中心与外圆周部分形成有效折射率差，从而构成弱导光纤。所形成的波导能够将传输光极大的束缚在光纤中心位置，减小了传输损耗，抑制了高阶模式。
37.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。