一种硫系玻璃光纤的侧面抛光方法

1.本发明涉及一种光纤微加工方法，具体是一种硫系玻璃光纤的侧面抛光方法。


背景技术：

2.随着微加工领域的发展，光纤技术越来越多地应用在各个领域。随着光纤倏逝场的发现和应用，出现了很多新的技术，也使得光纤侧面抛光技术出现在各个领域，并且发展出了许多光纤器件。当光纤的部分包层被移除后，剩余部分光纤对光的束缚能力就会减弱，从而使得倏逝场可以更多地泄露出来，并且与外界产生更强的相互作用，可能会发生反射、吸收和散射等现象，通过外界条件对光的改变量，和外界条件建立合理的关系，就可以得到所需的外界变量。
3.传统的光纤通过蚀刻包层来增强倏逝场和外界较强的相互作用，这使得光纤参数(折射率和变形)对外部变化环境更加敏感。但是，如果覆层的腐蚀深度太大，它将具有较低的机械强度，并且容易损坏。之后，人们将光纤固定于石英块上，通过手动打磨的方式将光纤的包层连同石英块表面一同侧抛剥离。该光纤侧抛工艺的操作简单，成本低廉，但是由于没有控制深度的方法，导致侧抛深度控制的不稳，并且需要大量的人工测量，制作周期长，效率低，光纤容易断裂，产率较低。为了解决这些问题，有人开始利用抛磨轮对光纤进行打磨。该方法实现了较为精密的抛磨深度控制。但是由于抛磨轮和光纤均处于固定状态，而且光纤始终保持水平，所以该方法的抛磨面在纵切方向上为与抛磨轮半径相同的圆形，无法独立控制抛磨深度与长度这两个参数，无法做到可控的长距离抛磨。
4.硫系玻璃光纤作为一种新兴的功能材料，获得了许多科研机构的注意。然而目前大部分侧面抛光技术都是针对石英材料光纤展开的。相比石英光纤，硫系玻璃光纤更加脆，质地也较软，这使得硫系玻璃光纤更易于被去除部分包层，但同时也限制了其弯曲等其他因素。因此目前已经较为成熟的抛磨轮技术对硫系玻璃光纤不太适用。目前针对硫系玻璃光纤的侧面抛光技术还没有特定的方法，都是按照原先石英材料的侧抛技术进行，容易使硫系玻璃光纤造成断裂，无法控制厚度，抛光效率低，因此有必要开发针对硫系玻璃光纤的抛光技术和方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种步骤简单、可操作性强、成本低、效率高的硫系玻璃光纤的侧面抛光方法。
6.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种硫系玻璃光纤的侧面抛光方法，包括以下步骤：
7.(1)飞秒激光初加工微型槽
8.搭建一飞秒激光刻写装置，该飞秒激光刻写装置包括沿光路走向依次设置的飞秒激光器、扩束器、衰减器、光学物镜和位移台；
9.将平板玻璃基片平放在位移台上，使平板玻璃基片正对光学物镜，开启飞秒激光
刻写装置并调节其参数，在平板玻璃基片上激光直写得到贯穿其长度方向或宽度方向的横截面为半圆形的初加工微型槽；
10.(2)化学腐蚀微型槽
11.准备一容器，在容器的上方悬设与计算机相连的ccd相机，将步骤(1)得到的平板玻璃基片的初加工微型槽朝上放入该容器内，调节ccd相机的位置，使ccd相机的镜头朝下并正对平板玻璃基片上的初加工微型槽，再在该容器内通入氢氟酸溶液，使氢氟酸溶液没过平板玻璃基片的表面，对初加工微型槽进行化学腐蚀，得到带有精加工微型槽的平板玻璃基片；
12.(3)硫系玻璃光纤的预处理
13.截取一段硫系玻璃光纤，该段硫系玻璃光纤的结构包括纤芯、包层和涂覆层，纤芯和包层均由硫系玻璃制成，涂覆层为高分子聚合物层；将该段硫系玻璃光纤的中间部分浸泡在二甲基乙酰胺中，除去该中间部分表面的涂覆层，得到硫系玻璃裸光纤，再将硫系玻璃裸光纤浸泡在酒精中，洗去硫系玻璃裸光纤表面残留的二甲基乙酰胺，然后取出该段硫系玻璃光纤，擦拭清洁后备用；
14.(4)硫系玻璃光纤的固定
15.将步骤(3)得到的硫系玻璃光纤的中间部分置于步骤(2)得到的平板玻璃基片的精加工微型槽中，并使用胶布或胶水将该中间部分的两端固定在平板玻璃基片上，该中间部分的两端以内的部分即为待抛光部分；
16.(5)硫系玻璃光纤的侧面抛光
17.搭建一抛光装置，该抛光装置包括光源、光谱仪、驱动控制器、抛光盘和三维定位支架，驱动控制器用于控制抛光盘的转速，抛光盘上分别连接有进液管和排液管，抛光盘用于放置不同精度的抛光纸，三维定位支架上安装有第一连杆和第二连杆，第一连杆和第二连杆均可上下移动和前后转动，第一连杆上连接有夹具，第二连杆上连接有显微设备，光源和光谱仪分别设置在三维定位支架的两侧；
18.在抛光盘上放置抛光纸，将固定有硫系玻璃光纤的平板玻璃基片的精加工微型槽朝下水平固定在夹具上，并使硫系玻璃光纤的两端分别经适配器与光源和光谱仪连接，调节第一连杆和第二连杆的位置，使硫系玻璃光纤的待抛光部分与抛光盘上的抛光纸接触，并使显微设备位于抛光盘的上方，经进液管向抛光盘内连续通入抛磨液，打开驱动控制器，即可开始对硫系玻璃光纤的待抛光部分进行多次抛光，每次抛光结束后，通过显微设备观察抛光的光纤的侧面平整度、光滑度并根据侧面高度判断抛磨的深度，通过光源和光谱仪观察抛光的光纤的光谱，判断光纤有无断裂。
19.作为优选，所述的容器的两侧分别开设有进液口和出液口，所述的进液口与一酸液供应单元的出口相通，所述的出液口与一酸液收集单元的入口相通，所述的酸液供应单元用于向所述的容器内通入氢氟酸溶液，所述的酸液收集单元用于收集所述的容器排出的酸液。
20.作为优选，步骤(5)中，对硫系玻璃光纤的待抛光部分先后进行两次抛光，即第一次抛光和第二次抛光；第一次抛光时，所述的抛光盘的转速为100～200r/min，抛光时间为15～30s；第一次抛光结束后，关闭所述的驱动控制器，通过显微设备观察确定第一次抛光后剩余的光纤的侧面高度，并更换精度等级更高的抛光纸，再打开所述的驱动控制器，将所
述的抛光盘的转速调整为50～100r/min，开始第二次抛光，第二次抛光的时间为15～30s，第二次抛光结束后，抛光完成。
21.作为优选，所述的第一次抛光使用的抛光纸的精度为2000～4000目，所述的第二次抛光使用的抛光纸的精度为10000～14000目。
22.作为优选，所述的抛磨液为无机抛光液。
23.作为优选，所述的位移台与一三维调节控制装置相连，所述的三维调节控制装置用于调节所述的位移台的水平度及前后、左右和上下位移速度。
24.作为优选，步骤(1)的激光直写中，所述的飞秒激光器的加工参数为：功率3mw，重复频率1khz，所述的位移台的移动速度为10μm/s；所述的光学物镜的倍数为10倍。
25.作为优选，所述的飞秒激光器的波长为800nm，发射的激光脉宽为500fs以下，激光输出功率为5w以下。
26.作为优选，步骤(2)中，所述的氢氟酸溶液的质量浓度为15～25％，化学腐蚀时的环境温度为25～50℃，化学腐蚀时间为180～300min。
27.作为优选，步骤(3)中，截取的硫系玻璃光纤为as2s3、as2se3、ge
‑
as
‑
se或ge
‑
as
‑
s硫系玻璃光纤，其纤芯外径为10～100μm，包层外径为150～300μm。在实际应用中，也可以选取其他成分组成的硫系玻璃光纤作为侧面抛光的对象。
28.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
29.(1)本发明硫系玻璃光纤的侧面抛光方法步骤简单、可操作性强、成本低、效率高，其通过飞秒激光直写、化学腐蚀加工平板玻璃基片，以在平板玻璃基片上加工的精加工微型槽作为侧面抛光的专用抛磨固定凹槽，以精加工微型槽的深度为抛光深度的基准进行多次抛光，该光滑的精加工微型槽能够更好地贴合硫系玻璃光纤，对硫系玻璃光纤的定位和保护效果好，同时通过显微设备对抛光过程进行监视，控制得到最佳的抛光效果，抛磨的深度、长度、次数、时间及精度可控，得到较为平整、光滑的抛光表面，并解决了传统抛光方法中硫系玻璃光纤容易断裂等问题，最终在确保硫系玻璃光纤的性能的同时，实现了高效、高质的侧面抛光，适用于不同纤芯、包层和涂覆层外径的硫系玻璃光纤的微加工；
30.(2)利用本发明方法抛光得到的硫系玻璃侧抛光纤制成的光纤传感器对外部环境的折射率、温度、弯曲及应变等非常敏感，可以作为很好的温度、折射率及生物传感平台，且相应的光纤传感器制作简单、可控性好、效率高，可以实现大批量的生产，在光纤通信和传感领域具有较好的应用前景。
附图说明
31.图1为实施例中搭建的飞秒激光刻写装置的结构示意图；
32.图2为实施例中化学腐蚀采用的容器的结构示意图；
33.图3为实施例中硫系玻璃光纤固定在平板玻璃基片上的效果示意图；
34.图4为实施例中搭建的抛光装置的结构示意图；
35.图5为实施例中抛光得到的单模as2s3硫系玻璃光纤抛光区域的横截面的显微图；
36.图6为实施例中抛光得到的单模as2s3硫系玻璃光纤抛光区域的侧面显微图。
具体实施方式
37.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
38.实施例的硫系玻璃光纤的侧面抛光方法，包括以下步骤：
39.(1)飞秒激光初加工微型槽
40.搭建一飞秒激光刻写装置，如图1所示，该飞秒激光刻写装置包括沿光路走向依次设置的飞秒激光器11、扩束器12、衰减器13、光学物镜14和位移台15，位移台15与一三维调节控制装置16相连，三维调节控制装置16用于调节位移台15的水平度及前后、左右和上下位移速度；本实施例中，光学物镜14的倍数为10倍，飞秒激光器11为超短脉冲的飞秒激光器11，其具有脉宽窄、单个脉冲能量高、重复频率高等优点，将其用于微型槽的加工，可以提高微型槽的精度，具体地，本实施例中，选择的飞秒激光器11的波长为800nm，发射的激光脉宽为500fs以下，激光输出功率为5w以下；
41.将一块尺寸为50mm
×
30mm
×
2mm的材质为sio2的平板玻璃基片2平放在位移台15上，使平板玻璃基片2正对光学物镜14，开启飞秒激光刻写装置并调节其参数，使飞秒激光器11产生的飞秒激光单脉冲通过衰减器13衰减为总能量略高于平板玻璃基片2的烧蚀阈值功率，在平板玻璃基片2上激光直写得到贯穿其长度方向的横截面为半圆形的初加工微型槽21，本实施例中，飞秒激光器11的加工参数为：功率3mw，重复频率1khz，位移台15的移动速度为10μm/s；
42.(2)化学腐蚀微型槽
43.准备一容器31，如图2所示，在容器31的上方悬设与计算机相连的ccd相机32，容器31的两侧分别开设有进液口33和出液口34，进液口33与一酸液供应单元35的出口相通，出液口34与一酸液收集单元36的入口相通，酸液供应单元35用于向容器31内通入氢氟酸溶液，酸液收集单元36用于收集容器31排出的酸液；
44.将步骤(1)得到的平板玻璃基片2的初加工微型槽21朝上放入该容器31内，调节ccd相机32的位置，使ccd相机32的镜头朝下并正对平板玻璃基片2上的初加工微型槽21，再经酸液供应单元35向该容器31内通入质量浓度为20％的氢氟酸溶液，使氢氟酸溶液没过平板玻璃基片2的表面，对初加工微型槽21进行化学腐蚀，化学腐蚀时的环境温度为30℃，化学腐蚀时间为240min，得到带有精加工微型槽22的平板玻璃基片2；
45.(3)硫系玻璃光纤的预处理
46.截取一段单模as2s3硫系玻璃光纤4，该段硫系玻璃光纤4的结构包括纤芯、包层和涂覆层，纤芯和包层均由as2s3硫系玻璃制成，涂覆层为高分子聚合物层；将该段硫系玻璃光纤4的中间部分(1～2cm)浸泡在二甲基乙酰胺(外购，纯度99％以上)中，除去该中间部分表面的涂覆层，得到硫系玻璃裸光纤，再将硫系玻璃裸光纤浸泡在酒精(外购，纯度99.7％以上)中，洗去硫系玻璃裸光纤表面残留的二甲基乙酰胺，然后取出该段硫系玻璃光纤4，擦拭清洁后备用；
47.(4)硫系玻璃光纤的固定
48.将步骤(3)得到的硫系玻璃光纤4的中间部分置于步骤(2)得到的平板玻璃基片2的精加工微型槽22中，并使用胶水将该中间部分的两端固定在平板玻璃基片2上，该中间部分的两端以内的部分即为待抛光部分，图3为硫系玻璃光纤4固定在平板玻璃基片2上的效果示意图；
49.(5)硫系玻璃光纤的侧面抛光
50.搭建一抛光装置，如图4所示，该抛光装置包括光源51、光谱仪52、驱动控制器53、抛光盘54和三维定位支架55，驱动控制器53用于控制抛光盘54的转速，抛光盘54上分别连接有进液管56和排液管57，抛光盘54用于放置不同精度的抛光纸58，三维定位支架55上安装有第一连杆59和第二连杆50，第一连杆59和第二连杆50均可上下移动和前后转动，第一连杆59上连接有夹具61，第二连杆50上连接有显微设备62，光源51和光谱仪52分别设置在三维定位支架55的两侧；
51.在抛光盘54上放置抛光纸58，将固定有硫系玻璃光纤4的平板玻璃基片2的精加工微型槽22朝下水平固定在夹具61上，并使硫系玻璃光纤4的两端分别经适配器与光源51和光谱仪52连接，调节第一连杆59和第二连杆50的位置，使硫系玻璃光纤4的待抛光部分与抛光盘54上的抛光纸58接触，并使显微设备62位于抛光盘54的上方，经进液管56向抛光盘54内连续通入无机抛光液(外购)作为抛磨液，打开驱动控制器53，即可开始对硫系玻璃光纤4的待抛光部分进行两次抛光，抛光过程中，通过排液管57排出多余的无机抛光液；每次抛光结束后，通过显微设备62观察抛光的光纤的侧面平整度(确保侧面平整度<5μm)、光滑度并根据侧面高度判断抛磨的深度，通过光源51和光谱仪52观察抛光的光纤的光谱，判断光纤有无断裂。
52.本实施例中，采用不同精度的抛光纸58对待抛光部分进行两次侧面抛光，抛光结束后，通过显微设备62观察抛光的光纤的侧面平整度、光滑度并根据侧面高度判断抛磨的深度；通过光源51和光谱仪52观察抛光的光纤的光谱，判断光纤有无断裂。具体地，步骤(5)中，对硫系玻璃光纤4的待抛光部分先后进行两次抛光，即第一次抛光和第二次抛光；第一次抛光时，抛光盘54的转速为100～200r/min，抛光时间为15～30s，使用的抛光纸58的精度为2000～4000目；第一次抛光结束后，关闭驱动控制器53，通过显微设备62观察确定第一次抛光后剩余的光纤的侧面高度，并将2000～4000目的抛光纸58从抛光盘54上卸下，更换成精度为10000～14000的抛光纸58，再打开驱动控制器53，将抛光盘54的转速调整为50～100r/min，开始第二次抛光，第二次抛光的时间为15～30s，第二次抛光结束后，抛光完成，得到的单模as2s3硫系玻璃光纤抛光区域的横截面的显微图见图5，侧面显微图见图6。