專利名稱：模壓擠塑透鏡化光導管、制備方法及其金屬模具的制作方法
技術領域：
本發明屬于光子集成技術、光傳感技術以及生物醫學技術領域。涉及一種用于工
業現場、實驗室等場合的模壓擠塑透鏡化光導管、制備方法及其金屬模具。具體地說是在光 子集成領域用于提高芯片輸入輸出端光耦合效率、并可同時用于光傳感及生物醫學領域微 米級光纖探針的透鏡化單模光纖和應用于光譜治療、紫外固化、紫外光刻、熒光檢測、刑偵 取證等方面的紫外光傳輸、匯聚的透鏡化紫外液芯光導管的制備方法及其金屬模具。
二背景技術：
在光子集成領域現有的光纖_芯片間高效的耦合方式主要包括模斑變換器(Spot SizeConverter， SSC)和透鏡光纖兩種。透鏡光纖可以改變光纖端面以實現單模光纖和光波 導的有效耦合。如將光纖端面加工成球面、錐形或者用光致抗蝕劑在光纖端面制作一個微 透鏡都可以提高單模光纖和光波導耦合效率。透鏡光纖利用光纖技術的優勢，改變光纖端 面的形狀和大小，其實質就是在光纖和光波導之間加接一個透鏡，以求單模光纖和光波導 模場的最佳匹配和數值孔徑的最大吻合，解決了影響光纖和光波導有效耦合的主要問題。 根據光纖端面的透鏡結構，可分為錐形透鏡光纖和楔形透鏡光纖，端面系由單模光纖在顯 微鏡和高倍率工業相機幫助下用特殊的熔接儀或研磨機拉錐或磨錐加工而成，只能得到一 定的透鏡曲率半徑和楔角，且制作復雜、成本高。 液芯光導管是一種新型結構的光傳輸產品，它采用液體材料作為芯層、聚合物材 料作為光學包層和保護層，具有大芯徑、大數值孔徑、光譜傳輸范圍廣、光譜傳輸效率高、使 用壽命長的特點。特別是該種光導管的芯層截面完全由同一種材料構成，可以避免玻璃或 石英光纖傳光束中因單絲集束時的空隙率引起的耦合損耗；能夠傳輸數百瓦的光輻射而不 被損壞；不存在玻璃或石英光纖傳光束因使用中的反復彎曲導致日益嚴重的斷絲和傳光效
率下降的問題。這種光導管有優異的紫外波段光傳輸能力，并且能傳輸高達數百瓦的大功 率光能量，可以適用于大功率的光源。其結構簡單，性能穩定。液芯光導管主要應用于光譜 治療、紫外固化、紫外光亥IJ、熒光檢測、刑偵取證等方面。現有液芯光導管的輸出端都是平面 光窗，根據光窗玻璃的外徑不同，有從cp3mm (pl0mm幾種大小不等的光斑輸出，但難已得到 小于(p3mm的光斑，從而大大限制了其應用范圍。
三
發明內容
本發明提供一種用于工業現場、實驗室等場合的模壓擠塑透鏡化光導管、制備方 法及其金屬模具。 本發明采用如下技術方案 —種用于工業現場、實驗室等場合的模壓擠塑透鏡化光導管，包括光導管，其特 征在于，在光導管的端部設有透鏡。 所述模壓擠塑透鏡化光導管的制備方法，其特征在于，取一金屬模具，所述金屬模 具的內腔形狀與透鏡形狀相吻合，在金屬模具的內腔上方設置能與光導管相匹配的光導管插入口 ，在金屬模具的內腔中加入透鏡材料，并對透鏡材料進行加熱，使透鏡材料熔化，再 將光導管從金屬模具內腔上方的光導管插入口壓入，直至光導管浸入熔融的透鏡材料中， 此后，停止加熱并冷卻，在光導管的端部形成透鏡，卸下金屬模具，得到模壓擠塑透鏡化光導管。 用于實施所述模壓擠塑透鏡化光導管制備方法的金屬模具，包括模具本體，其特 征在于，在模具本體內設有內腔，所述內腔的形狀與透鏡形狀相吻合，在內腔上方設有能與 光導管相匹配的光導管插入口，在模具本體上設有電爐絲加熱器并在電爐絲加熱器外部設 有保溫套。 本發明的有益效果是模壓擠塑透鏡化光導管的前端透鏡材料聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA和全氟樹脂PF在金屬模具中經電爐絲加熱，溫度升高到30(TC以內分別熔融。因透鏡 材料熔點較低，則對金屬模具、電爐絲加熱和保溫套保溫要求不高，均可以采用常規技術手 段。所以金屬模具無需耐高溫、電爐絲無需大電流工作、保溫材料無需嚴格隔熱；而且熔融 態的透鏡材料冷凝后收縮，緊緊包住光導管端部，與光導管形成牢固可靠的連接，而不需要 用膠粘接，避免了由于膠的光學和理化特性與光導管和鏡頭的不同帶來的透光率和可靠性 下降等問題。模壓擠塑透鏡化光導管制備成本低、簡單易行、前端透鏡穩固可靠。對于模 壓擠塑透鏡化單模光纖，不同的模具可得到不同形狀的透鏡，輸出光斑模場直徑在1. 5 1. 8um之間， 一方面實現和光子芯片模場的最佳匹配，從而完成光纖-光子芯片的高效耦 合；一方面得到微米級光纖探針，用于生物醫學和光傳感領域；對于模壓擠塑透鏡化紫外 液芯光導管，不同的模具可得到不同形狀的透鏡，相對于傳統的紫外液芯光導管可輸出模 場直徑小于3mm的光斑，應用于小照射范圍、大照射劑量的場合。
四
圖1為端部設有透鏡的光導管示意圖。 圖2為模壓擠塑透鏡化光導管制備方法示意圖。 圖3為金屬模具示意圖。 圖4為單模光纖前置PMMA透鏡輸出光場圖(球透鏡r = 4um， n = 1. 49)。 圖5為單模光纖前置PMMA透鏡輸出光場圖(球透鏡r = 62. 5um， n = 1. 49)。 圖6為紫外液芯光導管前置PF透鏡輸出光場圖(球透鏡r = 500um，n = 1. 34) 圖例說明 1.光導管 2.透鏡 3.金屬模具 31.模具本體 32.內腔 33.光導管插入口 34.電爐絲加熱器 35.保溫套
五具體實施方式
實施例1 —種如圖1所示的用于工業現場、實驗室等場合的模壓擠塑透鏡化光導管，包括 光導管1，其特征在于，在光導管的端部設有透鏡2，所述光導管1為單模光纖，所述透鏡2 為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA透鏡，所述光導管1為紫外液芯光導管，所述透鏡2為全氟樹脂PF透鏡。 實施例2 —種如圖2所示的模壓擠塑透鏡化光導管的制備方法取一金屬模具3，所述金屬 模具3的內腔形狀與透鏡形狀相吻合，在金屬模具3的內腔上方設置能與光導管1相匹配 的光導管插入口，在金屬模具3的內腔中加入透鏡材料，并對透鏡材料進行加熱，使透鏡材 料熔化，再將光導管1從金屬模具3內腔上方的光導管插入口壓入，直至光導管1浸入熔融 的透鏡材料中，此后，停止加熱并冷卻，在光導管1的端部形成透鏡2，卸下金屬模具3，得到 模壓擠塑透鏡化光導管。 所述透鏡材料可以采用聚甲基丙烯酸甲酯P匿A，加熱溫度為180 240°C。光導 管1取單模光纖，其輸出光斑模場直徑為8 IO咖，透鏡材料為PMMA，在波長1550nm處折 射率n二 1.49，通過模壓擠塑方式與單模光纖構成透鏡化耦合結構。它可以傳輸近紅外 光，改變透鏡的參數(折射率/形狀/尺寸等)輸出光斑模場直徑在1.5 1.8um之間變 化，壓縮了單模光纖輸出光斑的大小， 一方面實現和光子芯片模場的最佳匹配，從而完成光 纖-光子芯片的高效耦合；一方面得到微米級光纖探針，用于生物醫學和光傳感領域。圖4 為單模光纖前置PMMA透鏡(球透鏡r = 4um， n = 1. 49)輸出光場Hy圖，可見輸出圓光斑 直徑1. 5um。圖5為單模光纖前置PMMA透鏡(球透鏡r = 62. 5um，n = 1. 49)輸出光場Hy 圖，可見輸出圓光斑直徑1. 8um。 所述透鏡材料還可以采用全氟樹脂PF，加熱溫度為250 28(TC。光導管l取紫外 液芯光導管，可以傳輸波長范圍為365nm 436nm的紫外線，透鏡材料為PF，在波長365nm 處折射率n二 1.34，通過模壓擠塑方式與紫外液芯光導管構成透鏡化耦合結構。由于PF 透鏡的匯聚作用，可以輸出模場直徑小于3mm的光斑，應用于小照射范圍、大照射劑量的場 合。圖6為紫外液芯光導管前置PF透鏡(球透鏡r = 500um， n = 1. 34)輸出光場Hy圖， 可見輸出圓光斑直徑2. 4mm。
實施例3 —種用于實施模壓擠塑透鏡化光導管制備方法的金屬模具，如圖3所示，包括模 具本體31，在模具本體31內設有內腔32，所述內腔32的形狀與透鏡形狀相吻合，在內腔32 上方設有能與光導管1相匹配的光導管插入口 33，在模具本體31上設有電爐絲加熱器34 并在電爐絲加熱器34外部設有保溫套35。
權利要求
一種用于工業現場、實驗室等場合的模壓擠塑透鏡化光導管，包括光導管(1)，其特征在于，在光導管的端部設有透鏡(2)。
2. 根據權利要求l所述的模壓擠塑透鏡化光導管，其特征在于，所述光導管(1)為單模光纖，所述透鏡(2)為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA透鏡。
3. 根據權利要求l所述的模壓擠塑透鏡化光導管，其特征在于，所述光導管(1)為紫外 液芯光導管，所述透鏡(2)為全氟樹脂PF透鏡。
4. 一種用于制作權利要求1所述模壓擠塑透鏡化光導管的制備方法，其特征在于，取 一金屬模具(3)，所述金屬模具(3)的內腔形狀與透鏡形狀相吻合，在金屬模具(3)的內腔 上方設置能與光導管(1)相匹配的光導管插入口，在金屬模具(3)的內腔中加入透鏡材料， 并對透鏡材料進行加熱，使透鏡材料熔化，再將光導管(1)從金屬模具(3)內腔上方的光導 管插入口壓入，直至光導管(1)浸入熔融的透鏡材料中，此后，停止加熱并冷卻，在光導管 (1)的端部形成透鏡(2)，卸下金屬模具(3)，得到模壓擠塑透鏡化光導管。
5. 根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，透鏡材料采用聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA，加熱溫度為180 240°C。
6. 根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，透鏡材料采用全氟樹脂PF，加熱溫度 為250 280°C。
7. —種用于實施權利要求4所述制備方法的金屬模具，包括模具本體(31)，其特征 在于，在模具本體(31)內設有內腔(32)，所述內腔(32)的形狀與透鏡形狀相吻合，在內腔 (32)上方設有能與光導管(1)相匹配的光導管插入口 (33)，在模具本體(31)上設有電爐 絲加熱器(34)并在電爐絲加熱器(34)外部設有保溫套(35)。
全文摘要
一種在光子集成技術、光傳感及生物醫學技術領域的模壓擠塑透鏡化光導管，包括在端部設有透鏡的光導管。其制備方法為取一金屬模具，內腔形狀與透鏡形狀相吻合，內腔上方設置能與光導管相匹配的光導管插入口，在內腔中加入透鏡材料，并對透鏡材料進行加熱至熔化，再將光導管浸入熔融的透鏡材料中，此后，停止加熱并冷卻，在光導管的端部形成透鏡，卸下金屬模具，得到模壓擠塑透鏡化光導管。其金屬模具，包括模具本體，在模具本體上設有電爐絲加熱器，并在電爐絲加熱器外部設有保溫套。模壓擠塑透鏡化光導管制備成本低、簡單易行、前端透鏡穩固可靠，可以實現和光子芯片的最佳耦合，得到微米級光纖探針，應用于小照射范圍、大照射劑量的場合。
文檔編號G02B6/26GK101776783SQ20101000590
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月22日 優先權日2010年1月22日
發明者劉旭, 孫小菡 申請人:東南大學