基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法转让专利
申请号 : CN200910059204.1
文献号 : CN101561295B
文献日 : 2010-12-08
发明人 : 龚元 , 饶云江 , 郭宇
申请人 : 电子科技大学
摘要 :
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。
权利要求 :
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将高掺杂光纤端面浸入腐蚀液进行腐蚀，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，所述强无机酸浓度大于1％，且强无机酸能跟光纤纤芯的掺杂物质反应，生成可溶性物质，。
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，所述强无机酸包括盐酸、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。
说明书 :
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，但加工系统造价高，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。
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，但加工系统造价高，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。
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。
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。
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。