超声技术在石英光纤腐蚀中的运用

　　1　引言

　　光纤倏逝波传感器在化工、电化学、废水处理等领域扮演着重要的角色[1-3]。这类传感器利用暴露纤芯表面的倏逝场与环境介质的相互作用，通过检测倏逝场能量的衰减或者波长的漂移来获得光纤表面物质的相关性质。然而，倏逝场的穿透深度与距波导表面的距离呈指数形式衰减，只有临近波导表面的物质才能与倏逝场作用[4]。因此，加强纤芯表面倏逝场与环境介质的作用强度，是提高光纤倏逝波传感器灵敏度的关键。目前，通常采用去除光纤包层甚至部分纤芯的方法来提高传感器的灵敏度，去除光纤包层(纤芯)的方法主要有腐蚀法和研磨法[5-6]。研磨法在制备D形光纤和光纤端部加工方面具有独特的优势，但成本高，不易控制光纤的研磨程度。腐蚀法利用HF溶液，通过控制腐蚀时间制造出不同直径和长度的倏逝波光纤，成本低，不需要专业技术人员操作，可一次性腐蚀多根光纤。此外，通过配比不同的腐蚀剂，还可腐蚀出不同形状的光纤(如锥形光纤)[7]。

　　腐蚀法加工制备光纤倏逝波传感器已有相当多的文献报道[8]。Gupta等[9]人的研究指出光纤倏逝波传感器的灵敏度与光纤直径有关。Khi-jwania等人的[10]研究表明，对于U型倏逝波光纤，在弯曲半径和感应区长度一定的条件下，传感器的灵敏度随着光纤直径的减小而增加。

　　Machavaram等[11]发现腐蚀后光纤的反射率受表面粗糙度的影响，并且较好的界面反射来源于光滑的腐蚀表面。曾毅波等人[12]指出，在较低温度和浓度的KOH溶液中，通过超声技术能改善n型(100)4″硅片腐蚀表面的粗糙度，因为超声扰动有助于腐蚀液体分子的扩散迁移和腐蚀产物从腐蚀表面脱离。但是，Tso　and Pask[13]在利用氢氟酸(HF)腐蚀SiO2时发现，即使在超声扰动条件下，腐蚀后的SiO2表面仍然很粗糙。

　　Chen[14]的研究指出缓冲HF酸(BHF)溶液能改变SiO2表面的粗糙度，但并未报告在SiO2中掺入GeO2后的腐蚀形貌。为研究多模掺Ge石英光纤的腐蚀特性，以制备出直径较细且表面光滑的光纤，本文采用自行设计的用于腐蚀光纤的超声波装置，研究了在HF及BHF溶液中，超声功率和温度对光纤腐蚀速率及光纤表面形貌的影响。

　　2　实验系统与步骤

　　2.1　超声腐蚀器系统

　　实验采用自行设计的超声腐蚀系统，如图1所示。系统主要由腐蚀反应器、超声清洗机、自吸泵、恒温水浴、温度传感器等几部分组成。腐蚀反应器材料为聚四氟乙烯(PTFE)，PTFE是一种良好的耐酸腐蚀材料。虽然HF/BHF溶液能腐蚀一般的塑料容器，却不腐蚀PTFE容器(即使在温度为90℃时)。腐蚀反应器体积为250mm×130mm×80mm，壁厚为2mm。腐蚀反应器分为3个区域，位于两端的两个区域为密封区域，用于保护光纤尾端远于腐蚀剂(HF或BHF溶液);位于中心的区域为光纤腐蚀区域(150mm×110mm×50mm)用于腐蚀光纤。超声清洗机(DL-180D，上海，)的超声频率为40kHz，超声功率在0～180W内可调。腐蚀反应器和超声清洗机的温度采用耐HF酸的热电偶进行测量(精度±0.25℃)。系统温度利用恒温水浴(可控温度为室温到100℃)和自吸水泵(5L/min)控制，系统管道采用保温隔热材料密封(厚40mm)，确保腐蚀剂在整个腐蚀时间内温度波动范围在±0.5℃以内。