石英光纤主要由纤芯和包层构成,二者均采用石英玻璃作为主要材料。然而,石英玻璃因其延展性小且易于受损折断的特性,需要在包层外部覆盖一层涂覆层,以有效抵御机械损伤、化学腐蚀及其他环境因素的侵蚀。目前,已有多样化的涂覆层材料被研究,包括聚合物(如聚乙烯、丙烯酸酯等)、环氧树脂、硅胶和金属等。其中,丙烯酸酯因成本较低而广泛应用于大规模光纤生产中,但其机械性能、耐热性和化学稳定性相对较弱,易在拉伸、弯曲或高温环境下受损,并可能与某些化学物质发生降解反应。相比之下,金属涂层光纤(即金属化光纤)在某些特定应用环境中展现了其独特的优势,如优异的电磁屏蔽性能、导热性能、高硬度、抗压性能和耐腐蚀性。这些特性使得金属化光纤在光纤通信器件及光纤传感器件中得到广泛应用,特别是在高温、高辐射、腐蚀性极端环境中,将金属化光纤与金属基底通过焊接实现气密封装,为光器件提供可靠的保护,确保其正常运作。此外,在光纤传感领域,金属涂层还能有效提升设备的灵敏度。

光纤金属化流程

光纤涂层的制备主要包括以下4个步骤:首先是去涂覆层,随后将光纤装入夹具,接着进行等离子清洗,最后进行磁控溅射镀膜。值得注意的是,去涂覆层、装入夹具和等离子清洗这三个步骤构成了正式镀膜前的预处理流程,它们的重要性不言而喻,因为预处理环节的质量可能直接影响着薄膜与基体之间的结合力,进而对光纤的抗拉性能产生深远影响。图1.1直观地呈现了整个制备流程的详细步骤。

图1.1 光纤涂层制备流程图

等离子清洗

经过批量激光剥除涂覆层处理的光纤,为避免裸光纤段表面残留微量聚合物,以及在后续操作与保存过程中可能吸附的灰尘或其他杂质,因此需对光纤进行严格的清洗。传统的清洗方法主要分为湿法和干法两大类。湿法清洗通常涉及液体媒介,包括蒸汽、溶液浸泡以及旋转喷淋，超声波清洗等方式,然而这些方法均涉及化学处理。另一方面,干法清洗则通过压力、抽吸或气体媒介等手段去除污染物,包括机械清洗、和等离子清洗等方法。其中,机械清洗虽可行,但效率较低且成本较高,还可能对光纤造成损伤;。综合考虑,等离子清洗方法最为符合清洗要求,其能够在不引入化学物质的情况下有效去除光纤表面的残留物和污染物。

等离子体是由离子、电子、激发态分子、自由基组成的电离气态物质，等离子清洗的核心原理在于利用高能粒子和活性粒子在等离子体中的轰击或活化反应,从而高效去除基体表面的污物。

光纤磁控溅射镀膜前进行低温等离子清洗，依托物理轰击+化学反应双重清洗效应完成表面改性，全程处理温度低于60℃，不会灼伤光纤涂覆区、损伤石英晶格：

1）物理溅射轰击：高能惰性气体离子定向撞击光纤圆柱表面，剥离纳米级有机残渣、无机粉尘，抛光光纤微观凹凸界面，提升基底平整度，优化金属原子沉积贴合度；

2）化学反应降解：氧化性等离子自由基与光纤表面碳氢有机物发生氧化裂解，将大分子高分子残渣分解为CO₂、H₂O气态小分子，随真空系统直接排出，实现无残留干式除杂；

3）表面官能团活化：等离子作用打破石英SiO₂表面Si-O键，生成大量亲水羟基（-OH）活性官能团，提升光纤表面润湿张力，可与金属打底层Cr、Ti原子形成Si-O-M共价键，从物理附着升级为化学键合，大幅提升镀层结合力。