一种基于双包层光纤的微准直器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于双包层光纤的微准直器，可用于纤维集成微准直器的制备，可广泛应用于基于纤维集成微准直器的微型内窥镜、细胞生物光纤成像系统、光纤光镊系统、微型无人机等领域，属于纤维集成技术领域。
(二)背景技术
随着现代工业与科学技术的发展，人们已经逐步进入到信息化时代。信息技术的快速发展要求一个完整的信息系统能在尽可能小的空间内实现尽可能多的功能，这就要求实现各种功能的器件尽可能地小，向小型化、微型化方向发展。
纤维集成的微光学元件具有体积小、重量轻、设计制造灵活、制造成本低，并易于实现阵列化和批量化生产等优点，能够实现普通光学元件难以实现的功能，在光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学、激光技术、光计算等领域具有重要的应用价值。
随着研究的不断深入，人们提出了很多微光学元件的制备方法，主要有半导体光刻工艺法、单点金刚石车削、电子束刻蚀、飞秒激光直写等。半导体光刻工艺需要用到掩模板，利用紫外光曝光，通过显影将微结构转移到光刻胶上。这种方法工艺成熟，适合大批量制作，平均成本低。缺点是加工的结构只能是平面的，加工多阶结构时需要多次套刻，对准精度要求高，成本急剧上升。单点金刚石车削加工的表面粗糙度小，一般表面粗糙度都在10nm以下，适合加工任意回转形貌的结构。加工的精度取决于刀头和机床，对机床的精度要求高，加工材料有所限制，加工结构的尺寸不能太小。电子束刻蚀分为扫描式和投影式，扫描式不需要掩模板，对准、拼接均由计算机自动控制，加工精度极高。缺点是设备复杂、成本昂贵、单次曝光面积小、制作大尺寸结构时间太长。投影式加工速度快，但掩模制备困难。两种方式都需要在真空中进行，极大地限制了其适用范围。飞秒激光加工是一种无接触、高精度的微纳光电器件加工方法，对可应用的材料具有很强的广泛性。缺点是设备成本高，加工工艺复杂，加工效率比较低。
由于制造工艺的影响，目前的透镜系统在形状和尺寸等方面受到了限制。用于光纤与微光学元件纤维集成的制作技术，最近已经提出了使用诸如聚焦离子束铣削，干涉光刻，纳米压印技术，光刻，抛光技术等制造技术的不同方法，将微光学元件直接加工制造在光纤的端面上。然而他们具有加工难度大，复杂的制造装置等缺点。
而热扩散加工技术具有易于实现、成本低和操作简单等优点，热扩散技术在微机电系统，光集成器件，光通信和光纤传感中具有巨大的应用潜力。光纤经过热扩散处理，会在热扩散加工区域形成平滑的折射率渐变，平滑渐变的折射率区域具有微透镜的效果。对精细设计的双包层光纤进行热扩散加工，可制备基于双包层光纤的微准直器，用于光纤端出射光束的准直。
专利CN01144937.3公开了一种具备透镜功能的光纤及其制造方法，使用周期长度显示透镜功能的渐变折射率光纤，对突变折射率光纤有效。该方法能够对单模光纤进行准直，但是该渐变折射率光纤不能够低成本的获得并根据需求自行设计。
专利CN201210011571.6公开了一种大模面积的单模光纤连接器及制造方法，将阶跃型多模光纤进行纤芯掺杂元素的热扩散，形成沿径向向外减小的折射率渐变透镜，主要用于大模面积的单模光纤连接。
专利CN201721647567.3公开了一种激光光纤准直聚焦透镜，其特点是在玻璃管一端接入光纤，另一端连接透镜。因为使用微型透镜的方式进行光束准直，无法适用插入连接等情况，限制了使用的范围，而且制造比较困难。
专利US4269648A公开了一种将微球耦合透镜安装在光纤上的方法，使用粘合剂可以将微球耦合透镜安装到光纤的末端上。公开了一种在光纤端制造微透镜的方法，但是该方法制作工艺复杂。
专利US7013678B2公开了一种渐变折射率光纤透镜的制造方法，渐变折射率光纤透镜是光纤通信系统中的重要组件，可以作为透镜使用，但是该方法工艺比较复杂，生产成本高。
专利US7228033B2公开了一种光波导透镜及其制造方法，通过将均匀的玻璃透镜毛坯熔接到光纤的远端，加热并拉伸透镜毛坯，使其分成两段，并将该段连接到定义锥形端的光纤上，然后将透镜毛坯加热到其软化点以上，从而形成球形透镜。该光波导透镜可以用于光束的准直或聚焦，但是该方法制造的透镜，工艺复杂，生产成本高。
本发明公开了一种基于双包层光纤的微准直器，本发明可解决纤维集成的光纤端出射光束的准直，并且可用于纤维集成微准直器的制备，可广泛应用于基于纤维集成微准直器的微型内窥镜、细胞生物光纤成像系统、光纤光镊系统、微型无人机等领域。它采用热扩散技术，对精细设计的双包层光纤在恒温场中进行热扩散处理，在热扩散区域形成圆周对称的准高斯分布的折射率渐变区，对热扩散后的双包层光纤进行定长度切割，即可制备不同焦距的光纤微准直器。与在先技术相比，由于采用了热扩散技术和精细设计的双包层光纤，能够将微准直器集成到光纤上，并且能够在光纤上实现光束准直的功能，还可以低成本、批量且高效的制备基于双包层光纤的微准直器。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种制作简单、成本低、可批量生产的一种基于双包层光纤的微准直器。
本发明的目的是这样实现的：
该基于双包层光纤的微准直器由双包层光纤经热扩散制备而成。双包层光纤微准直器是在恒温场中，经热扩散制备而成，精细设计的双包层光纤的纤芯掺杂剂扩散后，折射率分布变为圆周对称的准高斯分布，可以等效为微准直器，实现出射光束的准直。
热扩散技术常用于基模场的扩展，热扩散能够使光纤中的掺杂剂分布渐变为稳定的圆周对称的准高斯分布。将精细设计的双包层光纤放入恒温场中进行加热，光纤中的掺杂剂分布渐变为稳定的准高斯分布，且光纤的归一化频率在加热过程中不变。掺杂剂的准高斯分布，使双包层光纤的折射率分布渐变为准高斯分布，光束传播过程中，向着折射率较高的区域弯曲，因此使热扩散后的双包层光纤具有微准直器功能。
在热扩散过程中，随时间t的变化，局部掺杂浓度C可表示为：
公式(1)中D是掺杂剂扩散系数；t是加热时间。D主要取决于不同掺杂剂的种类、主体材料以及局部加热温度。在大多数情况下，考虑锗在光纤的纤芯中的扩散时，在其轴对称几何结构上，光纤的加热温度相对于径向位置r几乎是均匀不变的，并且假定扩散系数D相对于径向位置r是不变的。在实践中，忽略轴向上的掺杂剂的扩散，则在圆柱坐标系中简化扩散方程(1)为：
掺杂剂的掺杂浓度C是径向距离r与加热时间t的函数。扩散系数D也受加热温度的影响，表示为：
公式(3)中T(z)表示加热温度，单位为K，与炉内光纤的纵向位置相关；R＝8.3145(J/K/mol)是理想气体常数；参数D0和Q可以从实验数据中得到。考虑初始边界条件：
其中，a为常数，表示光纤的直径。
掺杂剂局部掺杂浓度分布C可以表示为：
公式(5)中f(r)是初始浓度分布，在光纤边界表面r＝a处的浓度为0。J0是第一类零阶Bessel函数，特征值αn是其正根
J0(aαn)＝0(6)
假设光纤在整个热扩散区域的折射率分布与掺杂剂分布成比例，则热扩散后光纤的折射率分布可表示为：
公式(7)中ncl和nco分别是光纤包层和纤芯的折射率。在加热温度场为1600℃时，双包层光纤的折射率分布，随加热时间t的变化(如图2a)。曲线21、22、23、24分别为双包层光纤加热0h、0.1h、0.2h、0.3h后，沿光纤径向方向的折射率分布。经过0.3h的热扩散处理后，双包层光纤的折射率分布趋向于更稳定的准高斯分布(如图2b)。
渐变折射率透镜已经广泛应用于准直、聚焦和耦合等光学元件和器件。渐变折射率透镜是指折射率沿轴向、径向或者球面连续变化的透镜。对于折射率径向渐变的双包层光纤微准直器，光纤的中心折射率最高，并且随着径向距离中心轴的距离增加而减小。其折射率分布服从平方率分布：
公式(8)中n0是光纤中心的折射率，r是距中心轴的径向距离，g是梯度常数。则轴向长度为L的双包层光纤微准直器的焦距为
双包层光纤经过0.3h热扩散后，制备成的基于双包层光纤的微准直器的截面折射率如图3a所示。图3b是基于双包层光纤的微准直器的截面折射率的三维显示。从图中可以看出，双包层光纤微准直器的中心折射率最高，并且随着径向距离中心轴的距离增加而减小。
本发明制备基于双包层光纤的微准直器时，可对双包层光纤进行精细设计，包括对纤芯和内包层的几何尺寸、掺杂剂种类、数值孔径等进行设计。
本发明制备基于双包层光纤的微准直器时，是在恒温场中，经过热扩散制备而成。恒温场的温度，在1000℃以上。纤芯掺杂剂不同的双包层光纤的热扩散系数不同。
本发明制备基于双包层光纤的微准直器时，在恒温场中加热扩散一定时间之后，对热扩散后的双包层光纤进行定长度切割，由公式(9)即可制备不同焦距的光纤微准直器。
本发明制备基于双包层光纤的微准直器的制备方法，其特征是包括以下步骤：
第一步，对双包层光纤进行精细设计，包括对纤芯和内包层的几何尺寸、掺杂剂种类、数值孔径等进行设计。
第二步，对双包层光纤进行热扩散处理，将双包层光纤放在恒温场中进行热扩散处理，加热一定时间之后，双包层光纤的折射率分布渐变为稳定的圆周对称的准高斯分布。
第三步，对双包层光纤进行切割，将热扩散后的双包层光纤进行定长度切割，即可制备不同焦距的光纤微准直器。
本发明制备基于双包层光纤的微准直器时，经过一定时间的热扩散处理后，双包层光纤的折射率分布趋向于更稳定的圆周对称的准高斯分布，中心的折射率最高，并且随着径向距离中心轴的距离增加而减小。双包层光纤经过热扩散处理后，在热扩散加工区域，掺杂剂形成平滑的准高斯分布。掺杂剂的分布为准高斯分布，则双包层光纤的折射率分布也为准高斯分布，光束传播过程中，向着折射率较高的区域弯曲，因此使热扩散后的双包层光纤具有微准直器功能。
如图4所示，在本发明的微准直器中，光线沿着正弦曲线传播，直到到达微准直器的后表面，光束从纤端出射。光线完成一个正弦周期传播的长度，表示为一个节距。曲线41表示光线沿正弦曲线前进，传播一个周期的长度42，为一个节距。一个节距用P来表示。光线在微准直器中，经过正弦曲线的顶点，光束出射，此时出射光束会准直；经过正弦曲线的零点，光束出射，此时出射光束会聚焦。本发明制备的基于双包层光纤的微准直器，在正弦曲线的顶点对基于双包层光纤的微准直器进行定长度切割，即可实现出射光束准直的功能，并制备不同焦距的光纤微准直器。
本发明对双包层光纤精细设计时，可以根据需要，纤芯的掺杂剂为一种或多种掺杂的不同掺杂剂。使用双包层光纤进行光纤微准直器制备时，设计更大的纤芯和包层直径，或增长加热时间、提高加热温度，可以制备更大模场直径的光纤微准直器。使用一种或多种掺杂的不同掺杂剂，不影响光纤微准直器功能的实现。
本发明提供的基于双包层光纤的微准直器，由双包层光纤经热扩散制备而成。与在先技术相比，由于采用了热扩散技术和精细设计的双包层光纤，能够将微准直器集成到光纤上，并且能够在光纤上实现光束准直的功能，还可以低成本、批量且高效的制备基于双包层光纤的微准直器。
(四)附图说明
图1是一种基于双包层光纤的微准直器经热扩散制备前后折射率分布变化的示意图。
图2a是双包层光纤的折射率分布随着加热时间t的变化在温度场为1600℃内的变化的示意图，而图2b是双包层光纤加热0.3h后的折射率分布示意图。
图3a是双包层光纤加热0.3h后的截面折射率分布，图3b是双包层光纤加热0.3h后的截面折射率分布的三维显示。
图4是在微准直器中光线沿着正弦曲线传播的示意图。41为入射光线沿着正弦曲线传播，42为表示光线传播一个周期的长度。
图5是实施例中双包层光纤的截面示意图。51为双包层光纤的外包层，52为双包层光纤的内包层，53为双包层光纤的纤芯。
图6是实施例中单模光纤+基于双包层光纤的微准直器的结构示意图。61为单模光纤，62为由双包层光纤制备而成的微准直器。
图7a是实施例中单模光纤+基于双包层光纤的微准直器的折射率分布，图7b是实施例中单模光纤+基于双包层光纤的微准直器的折射率分布的三维显示。
图8a是实施例中单模光纤的纤端出射的光场分布，图8b是实施例中单模光纤+基于双包层光纤的微准直器的纤端出射的光场分布，图8c是实施例中单模光纤的纤端出射光场的光强分布，图8d是实施例中单模光纤+基于双包层光纤的微准直器的纤端出射光场的光强分布。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：
本实施例双包层光纤的截面示意图，如图5所示。51为双包层光纤的外包层，52为双包层光纤的内包层，53为双包层光纤的纤芯。
本实施例基于双包层光纤的微准直器的制备步骤为：
第一步，对双包层光纤进行精细设计，包括对纤芯和内包层的几何尺寸、掺杂剂种类、数值孔径等进行设计。本实施例所精细设计的双包层光纤的参数为，包层直径为125μm、纤芯半径为4.5μm，内包层半径为20μm，数值孔径为0.14。双包层光纤的掺杂剂种类为锗。
第二步，对双包层光纤进行热扩散处理。将一段双包层光纤放在恒温场中进行热扩散处理，恒温场的温度为1600℃，加热0.3h后，双包层光纤的折射率分布渐变为稳定的圆周对称的准高斯分布。
第三步，对双包层光纤进行切割，将热扩散后的双包层光纤进行定长度切割，即可制备不同焦距的光纤微准直器。
将热扩散后的双包层光纤与单模光纤进行焊接，对热扩散后的双包层光纤进行定长度切割，使其作为基于双包层光纤的微准直器，组成单模光纤+基于双包层光纤的微准直器的结构，如图6所示。61为单模光纤，62为经定长度切割的热扩散后的双包层光纤，作为微准直器焊接在单模光纤61的纤端。
利用有限元法对光纤热扩散处理过程建立模型，对热扩散处理后折射率分布的变化进行了仿真。如图7a所示，是单模光纤+基于双包层光纤的微准直器的折射率分布。所建立的仿真模型中，单模光纤61的长度为5μm，数值孔径为0.14，纤芯直径为9μm，包层直径为125μm；基于双包层光纤的微准直器的长度为350μm。图7b是实施例中单模光纤+基于双包层光纤的微准直器的折射率分布的三维显示。
基于双包层光纤的微准直器，具有平滑渐变的折射率分布过渡，且是稳定的准高斯分布，中心的折射率最高，并且随着径向距离中心轴的距离增加而减小。
利用有限元法分别对单模光纤的出射光场，单模光纤+基于双包层光纤的微准直器的出射光场进行仿真。所建立的单模光纤61的仿真模型中，单模光纤61的长度为20μm，真空63的长度为200μm。所建立的单模光纤+基于双包层光纤的微准直器仿真模型中，单模光纤61的长度为5μm，基于双包层光纤的微准直器62的长度为350μm，真空63的长度为200μm。仿真结果如图8所示。图8a所示，为单模光纤61的纤端出射的光场分布，图8b是单模光纤61+基于双包层光纤的微准直器62的纤端出射的光场分布，图8c是单模光纤61的纤端出射光场的光强分布，图8d是单模光纤61+基于双包层光纤的微准直器62的纤端出射光场的光强分布。
对比图8a和8b，分别为单模光纤61和单模光纤61+基于双包层光纤的微准直器62的纤端出射的光场的分布。光束在基于双包层光纤的微准直器62中传播时，光束沿正弦曲线传播，在传播到顶点时，光束从基于双包层光纤的微准直器62中出射。基于双包层光纤的微准直器62中出射光束的发散角相比单模光纤61的纤端出射光场的发散角更小。
对比图8c和8d，分别为单模光纤61和单模光纤61+基于双包层光纤的微准直器62的纤端出射光场的光强分布。光纤端出射光场的光强分布取其光束出射时，光场分布能量最大值的1/2e。对比可以看出，光束在基于双包层光纤的微准直器62中传播时，光束沿正弦曲线传播，在传播到顶点时，光束从基于双包层光纤的微准直器62中出射。基于双包层光纤的微准直器62的纤端出射光场的能量，相比单模光纤61的纤端出射光场的能量传播的更远。
本发明实施例提供的基于双包层光纤的微准直器，能够将微准直器集成到光纤上，在光纤上实现微准直器的功能。与在先技术相比，由于采用了热扩散技术和精细设计的双包层光纤，可以低成本、批量且高效的制备基于双包层光纤的微准直器。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，但本发明的保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员根据本发明的精神和范围，对本发明进行各种改动和变化，均应包含在本发明权利要求保护范围内。
