微納光纖的制備方法分析概述由于MNF（Micro-nanoopticalfiber）的直徑均勻程度和表面粗糙程度，都直接對微納光纖的傳輸損耗有影響。那么想要得到靈敏度高、穩(wěn)定性好的微納光纖傳感器，微納光纖的優(yōu)劣將直接決定傳感器的性能。當前普遍采用較多的制備方法是火焰加熱法、二氧化碳激光加熱法。對比其他方法，比如光刻、電子束刻蝕等，前者明顯更加符合要求。通過加熱法得到的光纖，它的光滑度以及均勻度都明顯更好。而且對于尺寸相同的光波導，其能量利用率是最高的。通過改善拉錐的條件，可以實現(xiàn)絕熱條件，我們可以獲得很高的透過率。雖然有關(guān)專家學者在這方面做了大量的工作并且取得了一定的成果，但是在精確控制微納光纖的直徑這個問題上還存在很大的困難。圖2-9微納光纖拉錐裝置示意圖1電加熱法雖然火焰加熱是目前最普遍的加熱方式,但是火焰容易受環(huán)境氣流影響(比如,制備中通常需要嚴格控制超凈室氣流),且燃燒后的產(chǎn)物(比如OH根)可能附著在微納光纖表面,對微納光纖造成一定的污染或特定波段的光譜吸收。為避免上述影響,可使用基于電加熱方式的機械掃描拉伸法。此法與上述火焰加熱法的原理相同，都是基于“火焰刷”原理,但二者所采用的熱源卻不同，電加熱法是用的是微型電加熱器,這主要是因為電加熱器不僅加熱過程穩(wěn)定而且不會造成器件表面污染，而且電加熱器能夠很方便的調(diào)整加熱溫度，非常便于實際操作。另外，還能在特定保護氣氛下工作。所以這種熱源的用途非常廣泛，不僅適用于二氧化硅玻璃等高穩(wěn)定材料的微納光纖制備,也可用于低熔點、易氧化或分解的復合材料的微納光纖制備。比如,2005年Brambilla等人利用該方法制備了硅酸鉛和硅酸鉍高非線性微納光纖,在1550nm處產(chǎn)生的損耗非常低，而且制作出的光纖尺寸非常小。圖2-10非常清楚的展示了常用的微型電加熱裝置和制作出的微納光纖的相關(guān)特性。該裝置采用陶瓷電加熱器,溫度可達1160°C,由此制作的微納光纖透過率特別高，所以中途傳輸所造成的損耗就非常低。而且，因為加熱十分均勻，微納光纖拉錐區(qū)的形貌也較為嚴格地遵循Birks和Li模型所預測的指數(shù)分布規(guī)律。當然,電加熱機械掃描拉伸法也存在一定的局限,由于微加熱器的加熱區(qū)域通常較長(厘米量級),與比較理想的點加熱源有一定的差距,使得這種方法在形貌控制上不如火焰加熱機械掃描拉伸法那么靈活自由。圖2-10(a)典型微型電加熱機械掃描拉伸裝置;(b)陶瓷電加熱器實物照片;(c)拉錐光纖形貌分布的實驗測量值(按照指數(shù)關(guān)系分布);(d)光纖拉錐過程中的透過率曲線2二氧化碳激光加熱法CO2激光加熱機械掃描拉伸法同樣是基于“火焰刷”模型,由于二氧化硅材料在高于紅光波長的長波區(qū)域吸收非常明顯，所以當CO2激光(波長10.6μm)直接聚焦至光纖上時,會產(chǎn)生非常高的溫度，而且加熱時非常穩(wěn)定且均勻，同樣的，它也不會在器件表面造成污染。當調(diào)節(jié)掃瞄鏡時，相應的被加熱區(qū)域也會隨之改變，常見的裝置圖見圖2-11(a)。光纖對激光的有效吸收會隨著光纖直徑的降低而降低。所以溫度也會隨著降低，有可能會低于拉伸溫度,此時便需要提高CO2激光的功率從而使溫度提高。如圖2-11(b)所示,CO2激光功率與微納光纖直徑呈類指數(shù)關(guān)系。所制備的微納光纖直徑最小約為3–4μm,形貌特征如圖2-11(c)。但是利用激光加熱還存在一個不可避免的問題，即激光直接加熱在制作小直徑微納光纖方面還存在一定的困難。為了解決這個問題，2004年Sumetsky等人提出了一種CO2激光間接加熱的制備方案。如圖2-11(d)所示,具體操作步驟為：首先把激光打在藍寶石套管表面,激光會對藍寶石管進行加熱，然后利用被加熱后的藍寶石管加熱光纖，這是一種簡潔的加熱方式，這種方式的好處在于它可以有效避免加熱所造成的污染問題，而且它不易受外界氣流等因素的影響。而且它還可以靈活調(diào)節(jié)加熱的溫度，從而便于實際操作。另外,相比于電加熱機械掃描拉伸法,激光加熱法與理論模型符合度更高。這就表明利用激光加熱所制作出的光纖的性能更加優(yōu)良。但是，這種方法也存在一定的局限性，因為小直徑光纖的制備往往需要的激光功率很大，在實驗室種制作出功率如此大的激光器往往有一定的困難，所以，當所需要的光纖直徑過小，這種方法就不能使用了。又考慮到CO2激光器的成本問題,因此近年來利用CO2激光聚焦加熱掃描拉伸法制備微納光纖的相關(guān)研究較少?？偟膩碚f,上述三種加熱方法具有一定的相似之處，它們都是在“火焰刷”拉伸制備方法的基礎上改進而來的,由于采用高精度機械拉伸臺相對加熱源進行掃描,免除了原先火焰本身掃描時橫向氣流引起的溫區(qū)不穩(wěn)定性,因此在制備具有較長均勻腰區(qū)的微納光纖時這種方法更具優(yōu)勢，利用這種方法能夠更好地控制微納光纖的腰區(qū)長度和均勻性。下表是不同方法的優(yōu)勢和短處，具體采用哪種方法往往要結(jié)合具體情況而定。制備方法優(yōu)點缺點電加熱法可精確調(diào)節(jié)加熱溫度,可在特定氣氛下制備商用電加熱器高溫區(qū)尺寸較大,影響特定形貌控制二氧化碳激光加熱法加熱速度快,可調(diào)溫度范大,可在特定氣氛下制備對于小直徑微納光纖,無法直接照射加熱,激光功率對于小直徑微納光纖,無法直接照射加熱,激光功率長時間穩(wěn)定性不夠