一種微液滴傳感裝置及其用于折射率測量的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種微液滴傳感裝置及其用于折射率測量的方法。單模光纖經(jīng)過拉錐形成一錐區(qū)，單模光纖兩端分別連接寬譜光源和光譜儀，錐區(qū)放置在環(huán)境液體中，環(huán)形芯光纖光鑷控制一個微液滴靠近錐區(qū)；寬譜光源發(fā)出的光在單模光纖中傳輸，經(jīng)過錐區(qū)時以倏逝場的方式從錐區(qū)耦合到微液滴中并產(chǎn)生回音壁模式共振，在共振波長處透射光強急劇減小形成共振谷，用光譜儀收集透射光進行光譜分析。本發(fā)明利用環(huán)形芯光纖光鑷穩(wěn)定控制微液滴使其形成完美的球腔，解決了固體球回音壁傳感器由于固體球表面不光滑以及缺損導致無法形成回音壁共振的問題，同時微液滴對環(huán)境的變化更為敏感。本發(fā)明在環(huán)境監(jiān)測方面有廣泛的應(yīng)用。
【專利說明】
一種微液滴傳感裝置及其用于折射率測量的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種光纖傳感裝置，具體地說是一種利用微液滴回音壁共振實現(xiàn) 的折射率、溫度傳感的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 拉錐光纖耦合微球是一種經(jīng)典的回音壁模式共振的結(jié)構(gòu)，利用拉錐光纖錐區(qū)表面 的倏逝場可以將光高效的耦合進出微球球腔，耦合進微球的光在微球內(nèi)表面發(fā)生多次全反 射，當光波長A滿足
，其中n為微球的折射率，R為微球半徑，N為正整數(shù)，此波長的 光將在微球中產(chǎn)生回音壁模式共振，光被限制在微球腔中，因此透射光譜在此波長處光強 急劇減小形成回音壁共振谷，由于存在多個共振波長因此會有多個共振谷，其共振谷之間 的自由光譜范圍
?；匾舯谀Ｊ焦舱裰械奈⑶蚓哂泻苄〉哪Ｊ襟w積和很高的品質(zhì) 因子，它在非線性和線性光譜中存在極窄的共振谷，因此在傳感領(lǐng)域具有很高的靈敏度。
[0003] 傳統(tǒng)的回音壁模式共振通常采用固體球作為微球腔，由于其容易控制。2015年中 北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室商成龍等人在其發(fā)表的文章"高Q值光學微 球腔的溫度系數(shù)研究"中（商成龍，中國激光，2015 (3): 27-32 .)，對回音壁模式的微球諧振 腔進行了實驗研究，提出了微球腔直徑為600mi的球形固體光學腔，與單模錐形光纖進行耦 合，在光學腔里產(chǎn)生回音壁模式，由于回音壁模式的共振波長對球腔附近的溫度變化敏感， 進而實現(xiàn)溫度傳感。這種方法利用固體球作為微球腔實現(xiàn)了溫度傳感，但由于固體球表面 不完整導致回音壁共振會有瑕疵且固體球隨溫度的變化不如液體球敏感，因此靈敏度不 尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種小體積、尚Q值、尚精度、尚靈敏，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境折射率 和溫度監(jiān)測的微液滴傳感裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種本發(fā)明的微液滴傳感裝置用 于折射率測量的方法。
[0005] 本發(fā)明的微液滴傳感裝置包括寬譜光源1、單模光纖2、環(huán)形芯光纖光鑷3、光譜儀 6;所述單模光纖2經(jīng)過拉錐形成一錐區(qū)2-1，單模光纖兩端分別連接寬譜光源1和光譜儀6， 錐區(qū)2-1放置在環(huán)境液體5中，環(huán)形芯光纖光鑷3控制一個微液滴4靠近錐區(qū)2-1;寬譜光源1 發(fā)出的光在單模光纖2中傳輸，經(jīng)過錐區(qū)2-1時以倏逝場的方式從錐區(qū)耦合到微液滴4中并 產(chǎn)生回音壁模式共振，在共振波長處透射光強急劇減小形成共振谷，用光譜儀6收集透射光 進行光譜分析。
[0006] 本發(fā)明的微液滴傳感裝置還可以包括：
[0007] 1、所述的錐區(qū)2-1是使用火焰熔融拉錐技術(shù)形成的直徑小于2wii的區(qū)域。
[0008] 2、所述的錐區(qū)2-1的直徑選擇1M1。
[0009] 3、微液滴4與錐區(qū)2-1的間距小于500nm。
[0010] 4、微液滴4與錐區(qū)2-1的間距選擇200nm。
[0011] 5、所述的寬譜光源1的中心波長是1550nm或131 Onm。
[0012 ] 6、所述的微液滴4的直徑為20mi。
[0013] 本發(fā)明的微液滴傳感裝置用于折射率測量的方法為：
[0014] 步驟一：寬譜光源1發(fā)出光譜范圍覆蓋1525~1605nm的光，將光注入單模光纖2- 端，單模光纖另一端連接至光譜儀，調(diào)節(jié)光譜檢測范圍為1525~1605nm;
[0015] 步驟二:在環(huán)境液體水5中滴入液晶形成微液滴液晶4,用三維微位移臺操控環(huán)形 光纖光鑷3捕獲微液滴液晶4,并靠近錐區(qū)2-1，同時觀察光譜儀6，當光譜出現(xiàn)共振谷時停止 對微液滴的操控；
[0016] 步驟三:記錄某個共振谷的位置，改變環(huán)境液體5的折射率，能看到共振谷位置發(fā) 生漂移，根據(jù)標定曲線由共振波長得到環(huán)境液體的折射率。
[0017] 本發(fā)明的微液滴傳感裝置，利用液滴有效地解決了固體微球表面不平整帶來的問 題，可以有效克服散射損耗，獲得極高的Q值。此外，微液滴由于具有較高的熱膨脹系數(shù)因此 對環(huán)境溫度的變化極為敏感，且其形成的回音壁模式共振對微球附近的折射率也及其敏 感，因此可以用來實現(xiàn)高靈敏的折射率和溫度傳感器。用環(huán)形芯光纖光鑷對微液滴進行非 接觸式穩(wěn)定控制，可以使微液滴懸浮在環(huán)境液體中，從而保持了完美的球腔特性，從而極大 的提高了傳感精度和靈敏度。
[0018] 本發(fā)明的工作原理為：
[0019] 結(jié)合圖2,寬譜光在光纖中傳輸，在經(jīng)過錐區(qū)時產(chǎn)生很強的倏逝場并耦合到微液滴 中，設(shè)微液滴的半徑為R，折射率為ns，微液滴所在的環(huán)境折射率為ne，則共振波長A = 2jtR/ x，x為微液滴的尺寸參數(shù)，由Lam理論可知x滿足公式：
[0025]由公式可以發(fā)現(xiàn)微液滴回音壁共振波長與環(huán)境折射率和微球折射率密切相關(guān)，因 此可以用來制作折射率傳感器，此外溫度會導致微液滴折射率和直徑的變化，因此也可以 用來制作溫度傳感器。
[0026]本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0027] 1、利用微液滴實現(xiàn)回音壁共振，有效的較小表面粗糙度帶來的散射損耗，提高了 Q 值，有效的提高了檢測精度和靈敏度。
[0028] 2、利用環(huán)形芯光纖光鑷實現(xiàn)對微液滴的穩(wěn)定控制，解決了微液滴操控困難的問 題。
[0029] 本發(fā)明利用環(huán)形芯光纖光鑷穩(wěn)定控制微液滴使其形成完美的球腔，解決了固體球 回音壁傳感器由于固體球表面不光滑以及缺損導致無法形成回音壁共振的問題，同時微液 滴對環(huán)境的變化更為敏感。本發(fā)明在環(huán)境監(jiān)測方面有廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0030] 圖1為微液滴傳感裝置的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031 ]圖2為光纖錐與微液滴耦合的示意圖。
[0032] 圖3為在微液滴中形成的回音壁光場圖。
[0033] 圖4為利用此微液滴傳感裝置檢測折射率的透射光譜仿真圖。
[0034] 圖5為環(huán)形芯光纖光鑷的出射光場示意圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明進行更為詳細的論述：
[0036] 結(jié)合圖1，本發(fā)明的微液滴傳感裝置包括寬譜光源1、單模光纖2、環(huán)形芯光纖光鑷 3、微液滴4、環(huán)境液體5和光譜儀6;單模光纖2經(jīng)過拉錐形成直徑為1~2mi、長度任意的錐區(qū) 2-1，單模光纖兩端分別連接寬譜光源1和光譜儀6,錐區(qū)2-1放置在環(huán)境液體5中，利用環(huán)形 芯光纖光鑷3控制一個微液滴4并使其靠近錐區(qū)2-1;寬譜光源1發(fā)出的光在單模光纖2中傳 輸，經(jīng)過錐區(qū)2-1時以倏逝場的方式從錐區(qū)耦合到微液滴4中并產(chǎn)生回音壁模式共振，在共 振波長處透射光強急劇減小形成共振谷，用光譜儀6收集透射光進行光譜分析。由于共振谷 的位置對環(huán)境折射率以及溫度敏感，因此實現(xiàn)對環(huán)境折射率以及溫度的實時監(jiān)測，通過共 振谷位置的改變來得出所測液體的折射率或者環(huán)境溫度。
[0037] 寬譜光源1的中心波長可以是1550nm、1310nm或其他。
[0038] 微液滴4不溶于環(huán)境液體5，且可以被環(huán)形芯光纖光鑷3捕獲;例如當環(huán)境液體5為 水時，微液滴4可以是液晶或者油類;微液滴4的直徑以20mi為宜。
[0039]錐區(qū)2-1使用火焰熔融拉錐技術(shù)形成，其直徑小于2mi，以lMi為宜。
[0040] 微液滴4與錐區(qū)2-1的間距小于500nm，也可以接觸，以200nm為宜。
[0041 ]本發(fā)明的微液滴傳感裝置的具體制作方法和用于折射率測量步驟如下：
[0042] 1、取一段單模光纖2,長度為2m，在單模光纖中間部位剝除涂覆層15~20mm，使用 無紡布蘸取酒精和乙醚混合液，反復擦拭光纖外包層，直至清潔后備用。
[0043] 2、使用光纖拉錐機，將單模光纖剝除涂覆層的部分進行拉錐，形成錐區(qū)2-1，錐區(qū) 直徑為1~2um之間。
[0044] 3、取一段環(huán)形芯光纖，在光纖一端剝除涂覆層20~30mm，使用無紡布蘸取酒精和 乙醚混合液，反復擦拭光纖外包層，清潔后用光纖切割刀將端面切割平整。
[0045] 4、使用光纖研磨機，將環(huán)形芯光纖切割后的一端研磨成角度為17°的圓臺，研磨深 度剛好過環(huán)形纖芯，制作成環(huán)形芯光纖光鑷3，使用980nm激光作為此光鑷的光源。
[0046] 5、將單模光纖的錐區(qū)2-1兩端固定在載玻片上，在載玻片上滴上環(huán)境液體水5使其 淹沒錐區(qū)2-1。
[0047] 6、使用光譜范圍覆蓋1525~1605nm的寬譜光源，將光注入單模光纖2-端，單模光 纖另一端連接至光譜儀，調(diào)節(jié)光譜檢測范圍為1525~1605nm。
[0048] 7、在環(huán)境液體水5中滴入極少液晶形成微液滴液晶4,用三維微位移臺操控環(huán)形光 纖光鑷3捕獲微液滴液晶4,并靠近錐區(qū)2-1，同時觀察光譜儀6,當光譜出現(xiàn)共振谷時停止對 微液滴的操控。
[0049] 8、記錄某個共振谷的位置，改變環(huán)境液體5的折射率，可以看到共振谷位置發(fā)生漂 移，根據(jù)標定曲線即可以由共振波長得到環(huán)境液體的折射率。
【主權(quán)項】
1. 一種微液滴傳感裝置，包括寬譜光源（1)、單模光纖(2)、環(huán)形芯光纖光鑷(3)、光譜儀 (6);其特征是:所述單模光纖(2)經(jīng)過拉錐形成一錐區(qū)（2-1)，單模光纖兩端分別連接寬譜 光源（1)和光譜儀(6)，錐區(qū)（2-1)放置在環(huán)境液體(5)中，環(huán)形芯光纖光鑷(3)控制一個微液 滴(4)靠近錐區(qū)（2-1);寬譜光源（1)發(fā)出的光在單模光纖(2)中傳輸，經(jīng)過錐區(qū)（2-1)時以倏 逝場的方式從錐區(qū)耦合到微液滴(4)中并產(chǎn)生回音壁模式共振，在共振波長處透射光強急 劇減小形成共振谷，用光譜儀(6)收集透射光進行光譜分析。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微液滴傳感裝置，其特征是:所述的錐區(qū)（2-1)是使用火焰熔 融拉錐技術(shù)形成的直徑小于2μπι的區(qū)域。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微液滴傳感裝置，其特征是:微液滴(4)與錐區(qū)（2-1)的間 距小于500nm〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微液滴傳感裝置，其特征是:所述的寬譜光源（1)的中心波 長是1550nm或 1310nm。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微液滴傳感裝置，其特征是:所述的寬譜光源（1)的中心波長 是1550nm或1310nm。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微液滴傳感裝置，其特征是:所述的微液滴(4)的直徑為20 μηι〇7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微液滴傳感裝置，其特征是:所述的微液滴(4)的直徑為20μπι。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的微液滴傳感裝置，其特征是:所述的微液滴(4)的直徑為20μπι。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微液滴傳感裝置，其特征是:所述的微液滴(4)的直徑為20μπι。10. -種權(quán)利要求1所述的微液滴傳感裝置用于折射率測量的方法為： 步驟一：寬譜光源（1)發(fā)出光譜范圍覆蓋1525~1605nm的光，將光注入單模光纖（2) - 端，單模光纖另一端連接至光譜儀，調(diào)節(jié)光譜檢測范圍為1525~1605nm; 步驟二:在環(huán)境液體水(5)中滴入液晶形成微液滴液晶（4)，用三維微位移臺操控環(huán)形 光纖光鑷(3)捕獲微液滴液晶(4)，并靠近錐區(qū)（2-1)，同時觀察光譜儀(6)，當光譜出現(xiàn)共振 谷時停止對微液滴的操控； 步驟三:記錄某個共振谷的位置，改變環(huán)境液體(5)的折射率，能看到共振谷位置發(fā)生 漂移，根據(jù)標定曲線由共振波長得到環(huán)境液體的折射率。
【文檔編號】G01K11/32GK106053389SQ201610352472
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】劉志海, 朱宗達, 魏勇, 張羽, 張亞勛, 趙恩銘, 苑立波
【申請人】哈爾濱工程大學