微纳光纤直径测试技术研究

彭政伟，张胜海，苗劲松，陈文博，于 洋，卫正统*

(1.信息工程大学 基础部，郑州 450000；2.国防科技大学 理学院，长沙 410073)

引 言

微纳光纤[1](optical microfiber,OM)是一种新型功能光纤，直径在微米或亚微米量级，较多能量以倏逝场[2]形式存在于光纤物理边界之外，对外界环境较为敏感，被广泛应用于光纤传感领域[3]。针对微纳光纤的传输特性[4]、温度特性[5-6]、能量分布特性[7]等理论分析，为以微纳光纤为基础的耦合器[8]、谐振环[9]、光纤光栅[10]等器件的进一步研究提供了支持。目前，复合型微纳光纤成为研究热点，如光子晶体微纳光纤[11]、石墨烯复合微纳光纤[12]等。无论微纳光纤传感器或微纳光纤功能器件，直径对其影响都很大。但是，在制备微纳光纤的过程中，光纤直径由125μm下降到微米量级，变化了近100倍，单位长度上光纤体积变化近10000倍，难以精确控制微纳光纤直径。2014年, YU等人[13]利用LP02模截止条件，分析对应模间干涉的突变位置，作为微纳光纤直径的判断依据, 从而可将制备微纳光纤的直径误差降至2%左右。2015年，KELOTH等人[14]利用微纳光纤耦合光栅，组成复合微腔, 由该复合腔谐振波长与微纳光纤直径的关系, 可以反推微纳光纤的直径，实现光纤直径的无损和原位测量, 对于350nm～600nm直径的微纳光纤, 测量精度可以达到10nm。2020年,KANG等人[15]利用光纤透射强度的突变，根据微纳光纤直径对应的TE01模截止点，实时反馈控制光纤制备过程, 在360nm～680nm微纳光纤直径范围内, 实现了2nm的控制精度。

分析光纤拉制过程可知，电机位置误差、光纤自身重力、气流对拉制过程的影响等因素[16]，会对微纳光纤外形造成影响，从而造成光纤直径一致性差，难以批量生产[17]。……