1.3.1 微结构光纤光栅的MEMS制备工艺

1.细芯超长周期光纤光栅的制备

2017年，华中科技大学的Ni等提出一种基于细芯超长周期光纤光栅（TC-ULPFG）的新型曲率和声传感器[102]。所提出的TC-ULPFG是通过采用高频CO₂激光器对细芯光纤（Thin-Core-Fiber，TCF）的单边侧向进行逐点扫描刻写得到的。所选的高频CO₂激光器是SYNRAD公司的48-2型号，可输出最大的光功率为30W，输出的光斑直径大小为3.5mm，远场发散角为4mrad，光束质量M2<1.2，输出光功率的稳定性为±5%。如图1-35所示为TC-ULPFG的制备平台示意图，采用在线连续刻写的方式来制备TC-ULPFG。通过计算机上光栅刻写的软件平台来控制激光器的工作状态，设置扫描周期数、打点间隔和输出光功率大小等条件。

图1-35 细芯超长周期光纤光栅的制备平台示意图

CO₂激光输出前先进行可见光光路的对准调试，使聚焦后的CO₂激光光斑垂直入射到包层直径为80μm的TCF上。在激光作用在TCF之前，所选用的TCF两端均需预先熔接上两根单模光纤跳线，熔接好的TCF水平放置在两端位移平台的正中间，通过准直光调整好TCF的初始位置后，TCF两端用光纤夹具将光纤固定在调整好的位置。通过两端的跳线分别接上宽谱光源（Broad Band Source，BBS）和光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer，OSA），这样便可通过实时观测OSA上的光谱曲线变化实现TC-ULPFG的在线刻写。制备出的TC-ULPFG的传感结构示意图如图1-36所示。TC-ULPFG的左右两端分别定义为输入细芯光纤（Input TCF，ITCF）和输出细芯光纤（Output TCF，OTCF），其对应连接的单模光纤分别为输入单模光纤（Input SMF，ISMF）和输出单模光纤（Output SMF，OSMF）。

图1-36 细芯超长周期光纤光栅传感结构示意图

2.微型聚合物布拉格光栅的制备

2022年，西北大学的Yin等研制出一种微型聚合物布拉格光栅（PBG）传感器，同样将其用于地震物理模型的超声成像[103]。如图1-37（a）所示，在毛细管光纤中制备UV胶聚合物波导用于光栅刻字。将长3cm、内径150µm的毛细管纤维浸入UV胶（NOA146H）中，在毛细管纤维内部形成毛细管吸收诱导胶柱。同时，沿毛细管纤维将裁剪良好的单模光纤（SMF）插入胶柱中，使光纤端浸入胶柱中，进行SMF与聚合物波导的光耦合和再耦合，如图1-37（b）所示。为减少耦合损耗，应选择折射率为1.46的UV胶。注意：胶柱毛细管长度和SMF端浸水深度可根据需要进行调整。然后，在UV灯照射下，将整个胶柱完全固化20分钟，形成单一形状的聚合物波导。随后，使用Ti：sapphire激光系统（Libra-USP-HE，Coherent Inc.，USA）在获得的聚合物波导结构中加工PBG。激光源发射50fs的线性偏振光脉冲，中心波长约800nm（TEM00空间模式，200Hz重复率），通过显微镜物镜聚焦到聚合物波导上（ZEISS，40X，0.75N. A.）。采用折射率匹配油来减小聚合物波导与空气界面的像差。聚合物波导光纤被放置在微加工装置（纽波特）上执行逐行光栅写入。使用光栅宽度为30μm的PBG俯视图显微图，如图1-37（c）所示。

图1-37 微型聚合物布拉格光栅（PBG）传感器示意图