一种纤维集成微透镜组制造技术

本发明专利技术提供的是一种纤维集成微透镜组。其特征是：它由两段经热扩散制备后，折射率分布分别为圆周对称准高斯分布和圆周对称反向准高斯分布的光纤连接组成。纤维集成微透镜组是将光纤放置在恒温场中，经热扩散制备并连接而成，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，可以等效为微凸透镜；折射率分布变为圆周对称反向准高斯分布，可以等效为微凹透镜。本发明专利技术主要提供一种光纤微透镜的构造方法，同时在光纤中构建纤维集成微透镜组。本发明专利技术可用于纤维集成微透镜的制备，可广泛应用于基于纤维集成微透镜组的微型内窥镜、细胞生物光纤成像系统、光纤光镊系统、微型无人机等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维集成微透镜组(一)
本专利技术涉及的是一种纤维集成微透镜组，可用于纤维集成微透镜的制备，可广泛应用于基于纤维集成微透镜组的微型内窥镜、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
(二)
技术介绍
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。通常，光纤微透镜分为三种，最开始出现的也是最容易想到的光纤微透镜如同传统的几何透镜，通过光纤端抛磨、腐蚀和高温熔融状态下表面张力成型等方式实现光纤端面曲率的改变。第二种是通过光纤内部折射率调制实现微透镜效果，比如普通光纤端熔接或粘接一段自聚焦光纤或自聚焦透镜。第三种是近年来出现的直接在光纤端面上利用高精度3D打印技术打印聚合物透镜的方式制备光纤微透镜，这种方法能够制备精度很高，设计自由度很高的微透镜和微透镜阵列，但是所需的设备非常昂贵且很难获得，并且聚合物材料有限制了其应用范围。近几十年来，微透镜在光集成器件和光纤中的地位越来越重要。当前的透镜系统在尺寸、形状和维度方面受到制备工艺的限制。由于传统透镜几何透镜仅在的输入和输出表面处改变光的轨迹，而透镜内部直线行进，因此难以像人们期望的那样构建理想的纤维集成微透镜组。渐变折射率(GRIN)透镜代表透镜设计的另一种方法，不是依靠均匀材料的表面来操纵光，而是在整个透镜主体中改变折射率，能够更大程度的操控光线轨迹。尽管GRIN透镜相对于传统透镜具有显著的潜在优势，但是它们在实际应用中远不普遍，因为以受控方式实现大折射率梯度的过程使制备透镜变得相当困难。热扩散技术为我们提供了一种很有潜力的梯度折射率设计方案，一方面它避开了梯度折射率材料制备工艺上的困难，另一方面又能以比较灵活的方式重塑材料内部折射率分布，最终呈现平滑的梯度折射率变化，甚至是构建三维梯度折射率结构。同时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。合理选择光纤的初始参数，并对光纤进行热扩散加工，可制备具有不同焦距的微透镜。热扩散处理后的光纤折射率分布为圆周对称准高斯分布时，可等效为微凸透镜，折射率分布为圆周对称反向准高斯分布时，可等效为微凹透镜，连接制备的不同焦距的微凸透镜和微凹透镜，即可在光纤中构建纤维集成的微透镜组。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CN201910359143.4公开了一种微透镜的制作方法，其特征是通过压力控制微型喷头形成凸起的紫外固化胶液滴形状，经接触转移定量液滴到光纤端面或其它衬底表面，由于表面张力作用使光纤端面或其它衬底表面的液滴自然形成球形透镜形状，再经过固化得到微透镜，与本专利技术有实质性的差别。专利CN200420023915.6公开了一种热扩展芯径微透镜多模光纤，其特征是在多模光纤端头部分热扩展芯径，热扩展芯径部分端头具有楔形光纤端面以及圆弧面与楔形光纤端面相切的圆柱状光纤微透镜。纤端研磨后不能够有效的在光纤中，构建纤维集成的微透镜组。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。本专利技术公开了一种纤维集成微透镜组，本专利技术主要提供一种光纤微透镜的制备方法，同时在光纤中构建纤维集成微透镜组，可用于纤维集成微透镜的制备，可广泛应用于基于纤维集成微透镜组的微型内窥镜、细胞生物光纤成像系统、光纤光镊系统、微型无人机等领域。采用热扩散技术，将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或圆周对称的反向准高斯分布的折射率渐变区，对热扩散后的光纤进行定长度切割，即可制备不同焦距的光纤微透镜，将两段光纤微凸透镜和微凹透镜连接，即可构建纤维集成微透镜组。与在先技术相比，由于采用了热扩散技术，能够在光纤中构建纤维集成微透镜组，还可以低成本、批量且高效的制备纤维集成微透镜组。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制作简单、成本低、可批量生产的一种纤维集成微透镜组。本专利技术的目的是这样实现的：该纤维集成微透镜组由两段经热扩散制备后，折射率分布分别为圆周对称准高斯分布和圆周对称反向准高斯分布的光纤连接组成。纤维集成微透镜组是将光纤放置在恒温场中，经热扩散制备并连接而成，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，可以等效为微凸透镜；折射率分布变为圆周对称反向准高斯分布，可以等效为微凹透镜。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或圆周对称的反向准高斯分布。将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，使光纤的初始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，因此使热扩散后的光纤可等效为微透镜。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(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纤维集成微透镜组。其特征是：它由两段经热扩散制备后，折射率分布分别为圆周对称准高斯分布和圆周对称反向准高斯分布的光纤连接组成。纤维集成微透镜组是将光纤放置在恒温场中，经热扩散制备并连接而成，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，可以等效为微凸透镜；折射率分布变为圆周对称反向准高斯分布，可以等效为微凹透镜。/n

【技术特征摘要】
1.一种纤维集成微透镜组。其特征是：它由两段经热扩散制备后，折射率分布分别为圆周对称准高斯分布和圆周对称反向准高斯分布的光纤连接组成。纤维集成微透镜组是将光纤放置在恒温场中，经热扩散制备并连接而成，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，可以等效为微凸透镜；折射率分布变为圆周对称反向准高斯分布，可以等效为微凹透镜。


2.根据权利要求1所述的纤维集成微透镜组，是将光纤放置在恒温场中，经过热扩散制备并连接而成。恒温场的温度，在1000℃以上。


3.根据权利要求1所述的纤维集成微透镜组，在恒温场中加热扩散一定时间之后，对热扩散后的光纤进行定长度切割，可制备不同焦距的微凸透镜和微凹透镜。


4.根据权利要求1所述的纤维集成微透镜组，可选用不同参数的光纤，包括光纤的初始折射率分布、掺杂剂种类、数值孔径等。选用的光纤，经过热扩散制备后，光纤的折射率分布为圆周对称的准高斯分布或圆周对称的反向准高斯分布。


5.根据权利要求1所述的纤维集成微透镜组，将两段焦距相同的微透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，孟令知，陈宫傣，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45