1.3.1 微結構光纖光柵的MEMS制備工藝

1.細芯超長周期光纖光柵的制備

2017年，華中科技大學的Ni等提出一種基于細芯超長周期光纖光柵（TC-ULPFG）的新型曲率和聲傳感器[102]。所提出的TC-ULPFG是通過采用高頻CO₂激光器對細芯光纖（Thin-Core-Fiber，TCF）的單邊側向進行逐點掃描刻寫得到的。所選的高頻CO₂激光器是SYNRAD公司的48-2型號，可輸出最大的光功率為30W，輸出的光斑直徑大小為3.5mm，遠場發散角為4mrad，光束質量M2<1.2，輸出光功率的穩定性為±5%。如圖1-35所示為TC-ULPFG的制備平臺示意圖，采用在線連續刻寫的方式來制備TC-ULPFG。通過計算機上光柵刻寫的軟件平臺來控制激光器的工作狀態，設置掃描周期數、打點間隔和輸出光功率大小等條件。

圖1-35 細芯超長周期光纖光柵的制備平臺示意圖

CO₂激光輸出前先進行可見光光路的對準調試，使聚焦后的CO₂激光光斑垂直入射到包層直徑為80μm的TCF上。在激光作用在TCF之前，所選用的TCF兩端均需預先熔接上兩根單模光纖跳線，熔接好的TCF水平放置在兩端位移平臺的正中間，通過準直光調整好TCF的初始位置后，TCF兩端用光纖夾具將光纖固定在調整好的位置。通過兩端的跳線分別接上寬譜光源（Broad Band Source，BBS）和光譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer，OSA），這樣便可通過實時觀測OSA上的光譜曲線變化實現TC-ULPFG的在線刻寫。制備出的TC-ULPFG的傳感結構示意圖如圖1-36所示。TC-ULPFG的左右兩端分別定義為輸入細芯光纖（Input TCF，ITCF）和輸出細芯光纖（Output TCF，OTCF），其對應連接的單模光纖分別為輸入單模光纖（Input SMF，ISMF）和輸出單模光纖（Output SMF，OSMF）。

圖1-36 細芯超長周期光纖光柵傳感結構示意圖

2.微型聚合物布拉格光柵的制備

2022年，西北大學的Yin等研制出一種微型聚合物布拉格光柵（PBG）傳感器，同樣將其用于地震物理模型的超聲成像[103]。如圖1-37（a）所示，在毛細管光纖中制備UV膠聚合物波導用于光柵刻字。將長3cm、內徑150μm的毛細管纖維浸入UV膠（NOA146H）中，在毛細管纖維內部形成毛細管吸收誘導膠柱。同時，沿毛細管纖維將裁剪良好的單模光纖（SMF）插入膠柱中，使光纖端浸入膠柱中，進行SMF與聚合物波導的光耦合和再耦合，如圖1-37（b）所示。為減少耦合損耗，應選擇折射率為1.46的UV膠。注意：膠柱毛細管長度和SMF端浸水深度可根據需要進行調整。然后，在UV燈照射下，將整個膠柱完全固化20分鐘，形成單一形狀的聚合物波導。隨后，使用Ti：sapphire激光系統（Libra-USP-HE，Coherent Inc.，USA）在獲得的聚合物波導結構中加工PBG。激光源發射50fs的線性偏振光脈沖，中心波長約800nm（TEM00空間模式，200Hz重復率），通過顯微鏡物鏡聚焦到聚合物波導上（ZEISS，40X，0.75N. A.）。采用折射率匹配油來減小聚合物波導與空氣界面的像差。聚合物波導光纖被放置在微加工裝置（紐波特）上執行逐行光柵寫入。使用光柵寬度為30μm的PBG俯視圖顯微圖，如圖1-37（c）所示。

圖1-37 微型聚合物布拉格光柵（PBG）傳感器示意圖