朱 軍，李 成，單 堯，朱良秋，汪 輝，俞本立

(安徽大學(xué)，安徽 合肥 230601)

光纖光柵憑借體積小、重量輕、波長編碼等諸多優(yōu)點，在光通信、光傳感等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。尤其在傳感領(lǐng)域，其具有抗電磁干擾、電絕緣、抗腐蝕、低成本和高靈敏度等諸多優(yōu)點，已受到越來越多的關(guān)注。

但裸光纖光柵細(xì)小質(zhì)脆易損傷，實際使用時必須對其保護，將其封裝在一個基底上構(gòu)成傳感探頭。目前，光纖光柵與基底的固定主要采用膠黏劑［1］，這種方法存在一些不足如常用膠粘劑二酚基丙烷型環(huán)氧樹脂在180～200℃會氧化分解，失去作用;再比如在惡劣環(huán)境下，膠封結(jié)構(gòu)探頭在長時間工作中的可靠性并未得到驗證。目前解決這一問題的常用方法是對光纖光柵進行金屬化封裝，在光纖光柵表面鍍鎳、銅、銀等［2-5］，這種探頭有更好的環(huán)境適應(yīng)性。但已有報道中，都是對光纖光柵表面全金屬化，所鍍金屬覆蓋了光纖光柵的柵區(qū)，這種處理方式改變了光柵原有的傳感特性，導(dǎo)致其溫度響應(yīng)變高［2，3］，在某些應(yīng)用領(lǐng)域如應(yīng)變測量中不利于溫度應(yīng)變交叉敏感問題的解決，從而影響了光纖光柵傳感探頭的應(yīng)用。

針對以上問題，提出了一種光纖光柵分段金屬化工藝，即只在光纖光柵兩端封裝區(qū)域進行金屬化處理。這種封裝工藝既不會影響光柵自身的傳感特性，又可以解決膠粘劑所帶來的各種問題，具有更高的實用價值。介紹了優(yōu)化后的光纖光柵分段金屬化的工藝以及分段金屬化夾具，通過實驗完成了光纖光柵的分段金屬化，并對分段金屬化光纖光柵的溫度響應(yīng)特性進行了測試。

1 分段金屬化工藝研究

采用先化學(xué)鍍后電鍍的方法進行光纖光柵的金屬化，具體工藝流程為除油-活化-化學(xué)鍍鎳-電鍍鎳等四步。第一步，除油，主要是將待裸光纖光柵浸入15%NaOH溶液中，使光纖光柵的表面清潔;第二步，活化，將光纖光柵浸到膠體鈀中，使膠體態(tài)金屬鈀顆粒吸附在光纖上，接著解膠，使表面具體有還原性;第三步，化學(xué)鍍，使光纖光柵表面附著一層薄金屬層，從而具有導(dǎo)電性，為電鍍做準(zhǔn)備;第四步，電鍍，在化學(xué)鍍得到的金屬上對需要焊接的部分進行電鍍加厚鍍層，以達(dá)到焊接封裝的要求。具體處理方法及參數(shù)如表1所示:

表1 光纖光柵表面金屬化工藝

考慮到全金屬化封裝會影響到光纖光柵的傳感特性，實驗中設(shè)計了特殊夾具固定光纖光柵，使光纖光柵兩端部分裸露在化學(xué)鍍和電鍍?nèi)芤褐?，實現(xiàn)分段金屬化封裝。夾具結(jié)構(gòu)及實物圖如圖1所示:

圖1 分段金屬化工藝中所使用的夾具設(shè)計圖(a)和實物圖(b)

為實現(xiàn)光纖光柵分段金屬化，設(shè)計了隔離蓋對鍍膜過程中的光纖光柵部分進行隔離，使鍍液無法接觸到光纖光柵的柵區(qū)，結(jié)合固定罩固定光纖光柵并對其尾纖進行保護。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使得在化學(xué)鍍和電鍍過程中只有光纖光柵兩端的部分光纖裸露在鍍液中，表面會附著金屬，而其余部分不會受鍍液的影響，保留原始特性。此外，考慮到化學(xué)鍍是在80℃高溫下進行且化學(xué)鍍和電鍍過程中夾具表面不能鍍有金屬，對夾具材料的選取有很高要求:如非金屬材料、連接件之間固定牢靠、表面光滑、高溫下不會軟化等。根據(jù)這些要求，選取了化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且耐高溫的硬尼龍材料制作夾具，固定件之間嵌入磁條實現(xiàn)牢固結(jié)合，為實現(xiàn)電鍍中回路暢通，在電鍍隔離蓋中引入了導(dǎo)線和點接觸頭，實物圖如圖1b所示。

2 實驗結(jié)果及分析

按照上述工藝對光纖光柵分段金屬化封裝進行了實驗研究，化學(xué)鍍后，首先采用熱震實驗方法對裸光纖與金屬鎳層的結(jié)合力進行檢測。把鍍有金屬鎳的光纖放在管式爐中加熱60 min然后在水中驟冷，因為金屬鎳層和光纖材質(zhì)不同，熱膨脹系數(shù)不同，驟冷后在金屬鎳層與光纖間產(chǎn)生一個分離力，通過顯微鏡觀察鍍層表面特征，如果光纖與金屬層結(jié)合力不好就會產(chǎn)生脫落或凸起。分別對光纖在100℃、150℃、200℃和250℃溫度下進行了熱震實驗，圖2是熱震實驗前和250℃熱震實驗后的金屬鍍層表面。

圖2 金屬化光纖表面250℃熱震實驗前(a)后(b)對比

結(jié)果表明，在250℃熱處理之后，光纖光柵表面金屬鍍層無脫落且基本無凸起，說明鍍層結(jié)合力較好。由于化學(xué)鍍后光纖表面金屬層較薄，鍍層厚度一般只有微米量級，焊接時很容易破壞金屬層。因此需對化學(xué)鍍后的光纖光柵進一步通過電鍍工藝，增加金屬層厚度，鍍層厚度可到亞毫米量級。圖3是一個分段金屬化處理之后的光纖光柵經(jīng)激光焊接固定在基底上的實物圖，從圖中可看出，金屬鍍層較均勻，光澤度好，經(jīng)測試金屬鍍層厚度為200 μm，中間的光纖光柵柵區(qū)并未鍍上金屬，從而實現(xiàn)了分段金屬化封裝。

圖3 金屬化處理封裝光纖光柵焊接實物圖

分段金屬化封裝主要是為了解決膠封帶來的問題，因此封裝本身不應(yīng)該影響其傳感特性。利用圖4所示裝置，分別對金屬化前后的光纖光柵進行了溫度傳感實驗，測試其傳感特性。將裸光柵放在溫度可控的水浴鍋中，記錄不同溫度下對應(yīng)的光纖光柵的反射中心波長。溫度傳感實驗結(jié)果如圖5所示:

圖5 金屬化前后的光柵波長增量與溫度變化關(guān)系

從圖5可以看到，金屬化前的光柵溫度靈敏度為KT1=8．64 pm/℃，金屬化后的光柵溫度靈敏度為KT2=9．81 pm/℃。由于在化學(xué)鍍時，保護光柵部分的化學(xué)鍍隔離蓋沒有達(dá)到完全密封的效果，導(dǎo)致有微量的鍍液滲入其中，使光柵被少量的鍍上金屬，使光纖光柵的溫度傳感靈敏度略有升高但遠(yuǎn)小于文獻［2］［3］中全金屬化封裝所帶來的影響。

3 結(jié) 論

針對現(xiàn)有全金屬化方法的缺點提出了一種光纖光柵分段金屬化方法并進行了實驗研究。設(shè)計并完成了一種可實現(xiàn)分段金屬化的夾具，通過實驗實現(xiàn)了光纖光柵的分段金屬化。并對分段金屬化光纖光柵進行熱震實驗和溫度響應(yīng)對比實驗。實驗結(jié)果表明這種封裝方法金屬的光澤度和附著力很好，溫度響應(yīng)特性幾乎未發(fā)生變化，這種封裝方式為光纖光柵的無膠化安裝提供了基礎(chǔ)，具有廣泛應(yīng)用價值。

［1］ 郭亮，張華，馮艷．光纖Bragg光柵封裝增敏技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］．半導(dǎo)體光電，2012，33(4):463-466．

［2］ 范典．光纖光柵金屬化封裝及傳感特性試驗研究［J］．傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19(4):1234-1237．

［3］ 趙誠，李玉龍，姜智超．鍍鎳過程對光纖Bragg光柵中心波長及傳感特性的影響［J］．傳感技術(shù)學(xué)報，2013，26(12):1666-1670．

［4］ 李小甫，姜德生，余海湖，等．石英光纖表面化學(xué)鍍鎳磷合金工藝［J］．化工學(xué)報，2005，56(1):126-129．

［5］ 彭剛，張華，李玉龍，等．光纖Bragg光柵傳感器化學(xué)鍍銅研究［J］．材料導(dǎo)報，2008，22(9):77-79．