本發(fā)明涉及光纖的應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及光纖傳感器的研究及其制備，尤其是提供一種基于聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)微米線混合集成的微光纖耦合器氣體傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

氣體的檢測和測量在環(huán)境、生物化學(xué)和戰(zhàn)爭領(lǐng)域一直都是一個(gè)重要的任務(wù)。除了傳統(tǒng)的電子和機(jī)械方法,目前出現(xiàn)了越來越多的利用光學(xué)方法的技術(shù)。隨著時(shí)代的進(jìn)步，在過去的30年間，光纖傳感技術(shù)乃至微納光纖傳感器件逐漸興起并且大量涌現(xiàn)與發(fā)展。光纖氣體傳感器已經(jīng)成為一種非常重要的且廣泛應(yīng)用的傳感器。它們具有很多其他器件所沒有的特點(diǎn)與優(yōu)勢，如抗電磁干擾、靈活輕巧、成本低廉、緊湊小型化、易于集成、方便運(yùn)輸?shù)鹊取?/p>

聚合物是另一種廣泛使用的材料。聚合物除了具有的機(jī)械靈活、加工簡單、成本低等特性，也為氣體傳感的應(yīng)用提供一些有吸引力的優(yōu)勢。例如,氣體分子可以選擇性地吸附到它們的表面或擴(kuò)散到聚合物基質(zhì)中,這可能是其他材料，如金屬、半導(dǎo)體或石英纖維不能實(shí)現(xiàn)的。此外,聚合物可以摻入各種功能的粒子,比如對某種氣體具有選擇性的物質(zhì),能有效地提高設(shè)備的性能。

隨著微操縱技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，微納光學(xué)近年來取得了很大的進(jìn)步與提高。如果將微光纖和非石英材料的微納米線進(jìn)行功能化集成，使得利用混合耦合器進(jìn)行微小濃度的氣體傳感逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為此，本發(fā)明的目的在于提供一種新型的基于pmma微米線混合集成的微光纖耦合器氣體傳感器，并提供一種制備該傳感器的方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種微光纖耦合器氣體傳感器，包括單根微光纖和單根pmma微米線，所述微光纖包括均勻腰區(qū)、錐形過渡區(qū)、輸入端口和輸出端口，所述pmma微米線附著在微光纖的均勻腰區(qū)側(cè)壁上，并且微米線的軸線與均勻腰區(qū)的軸線平行。

所述均勻腰區(qū)的長度為3毫米到5毫米，直徑為1微米到2微米。

所述pmma微米線的直徑為1微米到2微米，長度為150微米到200微米。

本發(fā)明上述一種微光纖耦合器氣體傳感器的制備方法，包括如下步驟：

(1)將單根普通單模光纖的兩端固定在電控平移臺上，中間部分用氫氧焰加熱；隨著電控平移臺緩慢向兩側(cè)移動，光纖的中間部分被加熱逐漸熔化變長變細(xì)，得到均勻腰區(qū)；

(2)稱取100毫克pmma固體顆粒，完全溶解于2克苯甲醚溶液中，充分?jǐn)嚢璨㈧o置2小時(shí)后，制備成粘稠的pmma苯甲醚溶液；使用光纖探針蘸取少許所述pmma苯甲醚溶液后直接快速拉出，拉出的細(xì)絲置于玻片上靜置數(shù)分鐘，待苯甲醚揮發(fā)后形成直徑為微米、長度為厘米級的pmma微米線；

(3)將一根鎢探針固定在一臺精度為1微米的手動三維位移臺上，在顯微鏡下將步驟(2)制得的pmma微米線切斷，獲得一定長度的pmma微米線；

(4)將所述光纖探針固定在所述手動三維位移臺上，在顯微鏡下將玻片上切好的pmma微米線挑起，轉(zhuǎn)移到微光纖的均勻腰區(qū)側(cè)壁上，由于分子間作用力的存在，兩者緊密地附著在一起；所述pmma微米線的軸線與均勻腰區(qū)的軸線平行。

利用上述微光纖耦合器氣體傳感器的測量方法，具體為：將傳感器固定在密封的玻璃腔中，光源產(chǎn)生的光進(jìn)入微光纖耦合器的輸入端口，微光纖耦合器的輸出端口連接光譜儀；改變傳感器周圍的特征氣體濃度，由于pmma微米線對氣體有吸收作用，引起有效折射率的改變，使得耦合器的諧振波長發(fā)生漂移，通過光譜儀探測波長的移動實(shí)現(xiàn)氣體的濃度檢測。

本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明的氣體傳感器可以實(shí)現(xiàn)微量氣體的濃度探測功能，具有極高的氣體濃度靈敏度，在生物化學(xué)傳感領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景；

(2)本發(fā)明還可以采用其他材料的微米線，實(shí)現(xiàn)對不同微量氣體濃度的傳感；

(3)本發(fā)明器件基于光纖體系，不需要其他任何光學(xué)器件對輸出光準(zhǔn)直、聚焦到器件上，結(jié)構(gòu)簡單，插入損耗小，且制備方便，成品率較高；

(4)本發(fā)明的傳感器在測量時(shí)僅需要一個(gè)輸入光源，同時(shí)作為信號光源和泵浦光源，測試方法簡便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明微光纖耦合器氣體傳感器的三維結(jié)構(gòu)示意圖，1-微光纖，2-pmma微米線；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的微光纖耦合器的寬譜輸出圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的氣體傳感器在不同濃度丙酮?dú)怏w下的諧振波長移動的光譜圖；

圖4本發(fā)明實(shí)施例中的氣體傳感器在丙酮?dú)怏w下的靈敏度曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施方法，以清楚展現(xiàn)本發(fā)明的特點(diǎn)。

圖1是本實(shí)施例基于pmma微米線混合集成的微光纖耦合器氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括：微光纖1、pmma微米線2。其中，微光纖1包含一個(gè)均勻腰區(qū)、兩個(gè)錐形過渡區(qū)、一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口。pmma微米線2附著在微光纖1的均勻腰區(qū)側(cè)壁上，并且微米線的軸線與均勻腰區(qū)的軸線平行。

微光纖1由一根普通單模光纖拉制而成：將直徑125微米的普通光纖兩端固定在電控平移臺上，中間部分用氫氧焰加熱。隨著電控平移臺緩慢向兩側(cè)移動，光纖中部被加熱區(qū)逐漸熔化變長變細(xì)，直至最細(xì)部分直徑達(dá)到1微米到2微米，長度為3毫米到5毫米。

pmma微米線2由粘稠的pmma苯甲醚溶液直接拉絲而成：稱取100毫克pmma固體顆粒，完全溶解于2克苯甲醚溶液中，充分?jǐn)嚢璨㈧o置約2小時(shí)后，制備成粘稠的pmma苯甲醚溶液。使用一根尖端直徑約500納米的光纖探針，蘸取少許溶液后直接快速拉出。拉出的細(xì)絲置于玻片上靜置數(shù)分鐘，待溶劑揮發(fā)后形成直徑約1微米到2微米、長度數(shù)厘米的pmma微米線。該pmma微米線表面光滑，直徑均勻。

然后，將一根尖端直徑約2微米的鎢探針固定在一臺精度1微米的手動三維位移臺上，在顯微鏡下可以很容易地將pmma微米線切斷。限制于顯微鏡的視野范圍，本實(shí)施例中切取長度150微米到200微米的pmma微米線。將上述光纖探針固定在手動位移臺上，在顯微鏡下將玻片上切好的pmma微米線挑起，轉(zhuǎn)移到微光纖的腰區(qū)側(cè)壁上。由于分子間作用力的存在，兩者緊密地附著在一起，pmma微米線2的軸線與均勻腰區(qū)的軸線平行。這樣就制備了本實(shí)施例的氣體傳感器。

圖2顯示了本實(shí)施例制備的微光纖耦合器氣體傳感器的寬譜輸出圖。每個(gè)谷代表耦合器的諧振波長。該耦合器中微光纖腰區(qū)的直徑為1微米，腰區(qū)長度為5毫米；pmma微米線的直徑為1.2微米，長度為175微米。

圖3展示了本實(shí)施例制備的氣體傳感器在不同濃度丙酮?dú)怏w下的諧振波長移動的輸出光譜圖。測量的具體步驟為：

(1)將氣體傳感器固定在預(yù)留注射通道的密封玻璃腔中；

(2)利用超連續(xù)光(1500-1650nm)作為光源，光從耦合器的輸入端口經(jīng)過微光纖耦合器1的錐形過渡區(qū)、腰區(qū)，由另一端的輸出端口輸入光譜儀；

(3)利用微流體注射泵向玻璃腔中注射極微量丙酮液體，液體揮發(fā)后充滿整個(gè)腔室；

(4)由于pmma微米線2對不同濃度的丙酮?dú)怏w有不同的吸收，有效折射率發(fā)生改變，使得諧振波長移動，從而實(shí)現(xiàn)對氣體濃度的傳感檢測。

本實(shí)施例中，利用的是超連續(xù)光(1500-1650nm)作為光源。在不同的丙酮?dú)怏w濃度下，微光纖耦合器1展現(xiàn)出不同的諧振波長移動。當(dāng)丙酮?dú)怏w的濃度越大，有效折射率的改變越大，波長移動越多。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例制備的傳感器對丙酮?dú)怏w的靈敏度曲線圖。根據(jù)圖3中各個(gè)濃度對應(yīng)的特征波長的位置繪制而成，可以發(fā)現(xiàn)該傳感器的特征波長與氣體濃度呈線性變化趨勢，靈敏度約為0.65pm/ppm。