锥形光纤形状的实验研究毕业论文

2020-04-09 15:31:00

摘要

随着光镊进入人们的视线，微纳光纤因其性能优越，价格低廉，被广泛应用于光镊上。而采用热拉伸方法所制备的微纳光纤因其优越的表面光滑度和结构均匀度被广泛关注，在光通信、医疗、生活上有重要的应用前景。所以，对于锥形光纤研究是十分有必要的，本文就锥形光纤的形状进行大量实验，最终得出一个关于光纤形状的结论。

本文采用理论分析对热拉伸光纤建立了一个几何模型，并在移动火头的理论基础上，进行了大量实验对几何模型进行分析验证。为了检测以体积守恒条件导出的公式是否与实验结果吻合，采用图表的形式将数据结果展现出来。最后，实验证明了几何模型可用性，在已知裸纤半径和腰区长度的情况下，可以在拉伸区任何位置计算得出光纤半径。并就拉伸速度、火焰扫描宽度与最终的几何模型形状的关系做研究，研究结果表明：

（1）拉锥速度对光纤的几何形状没有影响。

（2）火焰扫描宽度越宽，光纤的腰区长度就越长，光纤的拉伸区就越平缓。

关键词：锥形光纤；热拉伸法；移动火头；几何模型

Abstract

With the Optical Tweezers into the eyes of people, micro-nano fiber because of its superior performance, low price, is widely used in Optical Tweezers. The micro-nano fiber prepared by the hot stretching method is widely concerned due to its superior surface smoothness and structural uniformity, and has important application prospects in optical communication, medical treatment, and life. Therefore, it is very necessary for the research of tapered fiber. In this paper, a lot of experiments are carried out on the shape of the tapered fiber, and finally a conclusion about the shape of the fiber is obtained.

In this paper, a geometric model is established based on theoretical analysis of the hot stretching optical fiber. Based on the theory of the Travelling flame, a large number of experiments are carried out to analyze and verify the geometric model. In order to test whether the formula derived from the conservation condition of the volume agrees with the experimental result, the data results are presented in the form of a chart. Finally, the experiment proved the availability of the geometric model. Under the condition of known bare fiber radius and lumbar length, the fiber radius can be calculated at any position in the stretching zone. The relationship between the drawing speed, the flame scanning width and the shape of the final geometric model was studied and the results show that:

（1）The taper speed has no effect on the geometry of the fiber.

（2）The wider the flame scan width, the longer the length of the waist region of the optical fiber and the flatter the stretching region of the optical fiber.

Key Words： Tapered fiber ；Hot stretching method；Travelling flame；Geometric model

第1章绪论 1

1.1 微纳光纤技术介绍以及研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究内容和预期目标 2

第2章熔融拉锥光纤理论 3

第3章热拉伸法的实验系统和实验过程 6

3.1 热拉伸法的实验系统 6

3.1.1 系统组成 6

3.1.2 光纤预处理 6

3.1.3 测量系统 7

3.2 实验方法 7

3.3 光纤拉伸实验过程 7

3.2.1 基本步骤 7

3.2.2 样本处理 8

3.2.3 数据处理 9

第4章实验结果与分析 10

4.1 定点加热光纤 10

4.2 动态扫描加热光纤 13

第5章结论 16

5.1 总结 16

5.2 实验可改进与课题展望 16

参考文献 18

致谢 19

绪论

1.1 微纳光纤技术介绍以及研究的目的和意义

锥形光纤呈现为双锥结构，如图2.3所示。当双锥形光纤被拉到足够细的时候，锥形光纤就可以视为是微纳光纤。至于微纳光纤，顾名思义，微纳光纤就是指尺寸在微米或者纳米级别的光纤。把光纤制作的这么细的目的是使光纤直径小于或等于光波长。微纳光纤性能优越，价格低廉，被广泛的应用在各个领域。比如说医疗、探测和通信等方面。

微纳光纤主要可以应用于光镊上，光镊也就是单光束梯度力光阱。光镊到底有何作用呢，在日常生活中，当有微小的物体需要挪动时，手反而因为太大遮住视线而不方便，我们会采用镊子进行细腻操作。光镊也是同样的道理，只不过对于光镊来说，需要应用到的物体会更小，比如说细胞原子等。那么光镊的原理是什么呢？光镊实际上并不会像在实际生活中使用镊子那样与被移动物体有物理接触，而是产生一种光场，这种光场就像是一个水桶般的陷阱。一旦粒子掉入这个陷阱，而又没有足够的能量来挣脱这个陷阱，就会被困在这个陷阱里。当我们移动这个水桶时（也就是光镊），被困住的粒子也会跟着光场一起移动，从而达到移动粒子的目的。

对于双锥形结构的光纤来说，当光纤的腰区半径接近光波长时，双锥光纤是微纳光纤的一种。双锥光纤能应用在很多方面，如可以用作通信器材上，如清华大学的陈智浩等人^[1]利用双锥光纤的结构制成了滤波器或是各种传感器^[2]。双锥结构的光纤还可以应用在光捕获上，因为锥形光纤腰区尺寸要比通信光纤小得多，此时不再是由纤芯和包层的折射率差来传光，而是由纤芯和溶液的折射率差来传光。而纤芯和溶液的折射率差要远大于纤芯和包层的折射率差，所以锥形光纤的腰区倏逝场会更强，会产生强大的光压力使溶液中的粒子吸附在光纤表面，从而产生很强的捕获力。这就是我们常说的光镊，这种无物理接触的力可以应用在很多方面，比如说医学上用来挪动细胞等^[3]。

对于制备微纳光纤，可以采用光刻、化学刻蚀等方法。但是作为微纳光纤的主要质量优劣是表面光滑度和结构均匀度。光刻、化学腐蚀等方法都不如采用热拉伸的表面光滑度和结构均匀度好^[4]，所以制作微纳光纤还是以热拉伸方法为主的，所以对于热拉伸的方法的研究是很有意义的。

1.2 国内外研究现状

在熔融拉锥光纤的制作上，国外要领先国内进行研究。1992年，Timothy A. Birks 和 Youwei W. Li^[5]就熔融拉锥光纤的几何模型发布了一篇文章。他们以质量和体积不变为理论基础，对锥形光纤的拉锥过程进行分析推导最后得出了一个半径分布函数。

1999年，Timothy E.Dimmick,George Kakarantzas和Timothy A.Birks等人^[6]采用CO₂激光器作为热拉伸的热源，将CO₂激光器视为点热源，通过不断往返扫描来设定腰区的宽度。通过这种方法得到了腰区均匀度不小于的光纤。

2005年，Andrew Cronin和Colm Mcatamney等人^[7]同样采用CO₂激光器作为热拉伸的热源，但没有使用往返扫描的方式拉设定腰区，而是采用光衍射的原理来设定腰区。制作出损耗为0.15db的光纤。

近年来，国外在锥形光纤的运用上同样有新的进展。2016年，Z. Chenari和H. Latifi等人^[8]使用氢氟酸和缓冲氢氟酸提出了制造半绝缘的双锥光纤锥度的方法。2017年，Fukun Liu,Minxin Cui等人^[9]采用一种用于检测硝基炸药的新型光纤锥形荧光探针。2018年，Yingying Wang和Shixun Dai等人^[10]报道了一种具有超高数值孔径的硫属化物锥形光纤，能够产生范围从1.9到5.7微米的中红外超连续光谱。

国内发展起步虽然落后于国外，但随着中国的发展强大，中国的科学技术也紧跟着世界时代大潮流。2009年，孙伟民等人^[11]在移动火头的技术原理之上，对拉锥机进行分析，得到结论不同形状的锥形光纤如何去制作。

2009年，余志强等人^[12]就光波导为理论基础，分析了单模的锥形光纤的光纤特性。通过对拉锥过程分析，发现了在单模光纤拉锥过程中，包层和纤芯的半径比几乎保持不变。

1.3 课题研究内容和预期目标

此次实验的主要内容是对熔融拉锥光纤的形状进行研究。实验的具体过程是使用氢氧焰加热光纤至其软化，当光纤软化时使用电机控制的夹具拉伸光纤，最后对拉伸出来的锥形光纤进行研究。研究方法是将光纤置于显微镜下观察拉伸的形状，包括腰区半径尺寸，拉伸区的轮廓半径和腰区长度等数据。具体内容包括：1.锥形光纤的主要应用、热拉伸法制备锥形光纤的技术发展概况；2.锥形光纤的几何模型；3.热拉伸法的技术方案、拉锥实验系统构成；4.研究光纤拉伸速度、拉伸时间（或拉伸长度）以及热区长度对光纤形状的影响。

实验的预期目标是能够研究出拉伸区的轮廓的几何模型并通过实验证实。具体过程是通过理论分析对热拉伸光纤做一个模型化处理，对模型进行理论化处理，得出一个理论结果，通过实际实验来验证最后得出的这个几何模型是否正确。

第2章熔融拉锥光纤理论

如图2.3所示，通过加热拉伸光纤制成锥形光纤，形成中间窄，两边拉伸（“双锥光纤”）的结构，其每个末端通过锥形部分与未拉伸光纤连接在一起。而锥形光纤的形状变化是否可控十分重要，锥形光纤的几何形状对于光的传输效率和耦合效率都有很大的影响^[13]。所以本课题就体积守恒原理，通过实验佐证希望可以导出一个几何模型，可以生产具有任意长度腰部的锥形光纤。

对光纤拉伸的过程进行模型化处理，对光纤的各部分进行说明：

图2.1 拉锥前的光纤段

如图2.1所示为拉锥前的光纤段，其中表示单边的拉伸区，表示腰区的长度，表示腰区的半径。对光纤进行处理，使用剥线钳将光纤的涂覆层剥去。使用无水乙醇对光纤进行处理，清除光纤表面残留的异物。理论上处理的光纤的长度只需要两个拉伸长度和一个腰区长度，也就是的长度。但实际上因为火焰有一定宽度，所以处理时应该略大于长度。

图2.2 刚开始拉伸的光纤

再由图2.2所示，此时表明光纤被微微拉伸。光纤模型化处理后为圆柱形状，而光纤部分被加热时始终视为圆柱形均匀受热，因此光纤软化时具有相同的粘度，在被夹具拉伸时光纤两端受到相同的作用力，拉伸后热区的光纤仍然视为圆柱形，但离开热区的光纤就会遇冷凝固形成拉伸区。在短暂的拉伸后，光纤伸长了，两边一边伸长。腰区部分半径减小。如此反复加热腰区并对光纤进行机械拉伸最终形成如图2.3所成的形状。

图2.3 光纤拉伸后的模型

图2.3绘画了一个完整的锥形光纤，假定形成了锥形是对称的以便这两个渐变过渡是相同的，取锥形光纤左边的锥区进行研究。如图2.3所示，以左侧锥体末端为起点建立坐标轴，用来做出局部半径逐渐减小的形状函数。

参照图2.2，在锥度伸长期间的任何时刻t，锥形腰部的长度（“热区”P'Q'）被均匀加热形成一个可变形的圆柱状低粘度玻璃。虽然光纤受热软化到能够被拉伸，但并不是柔软到足以在自身重量下垂，在热区之外遇冷而固化，锥形的末端被稳定地拉动。这样在时间t t时圆柱热玻璃伸展到形成长度为的较细的圆柱玻璃PQ,其中是在时间间隔t期间的延伸增量。随着锥体拉长，末端PP'、Q'Q拉伸区的圆柱玻璃离开加热区并凝固，形成渐变过渡的新部分。锥形腰部的部分P'Q'仍然在热区内保持可变形并将被进一步拉伸变细。