基于液态波导的光纤MZI超灵敏度折射率传感

本发明涉及光纤干涉传感器，具体涉及一种基于液态波导的光纤mzi超灵敏度折射率传感。

背景技术：

1、高灵敏光纤折射率传感器在微量生化分析领域具有重要应用价值。光纤马赫-曾德尔干涉仪（mzi）因其结构紧凑、设计灵活性高等固有优势，成为了近年来极具吸引力的折射率测量平台之一。随着痕量检测和免标记超灵敏诊断需求的蓬勃发展，如何突破传统结构的探测极限、进一步提升光纤mzi的折射率灵敏度，成为了当前研究的焦点。

2、针对光纤mach-zehnder干涉仪（mzi）折射率传感器本征灵敏度的提升，目前的增敏方法主要可归结为信号光与待测溶液间接作用（倏逝场增强）与直接作用（光液直接接触）两类。

3、第一类为基于倏逝场的光液间接作用方案。该方案通常借助熔融拉锥等工艺增强倏逝场进而增强其与待测溶液的相互作用来实现增敏。例如，yang等人通过加热拉锥减小光纤横向尺寸，使模场向外大幅扩张并激发出对外界环境极敏感的高阶传输模式，成功制备了微纳光纤mzi，其折射率灵敏度达到了2319nm/riu。然而，受限于倏逝场能量随空间距离呈指数级衰减的物理特性，信号光与待测溶液的有效作用深度极为有限，且此类微纳尺度的加工往往以牺牲器件的机械强度为代价。

4、为了突破倏逝场穿透深度的物理局限，近年来的研究逐渐转向第二类“光液部分接触”增敏方案。该方案利用大偏移熔接或化学刻蚀等技术改变光路，使干涉臂中的一部分光束直接进入待测溶液参与传输，从而实现信号光与待测溶液的深度作用。例如，lv等人提出了一种基于大错位熔接的单包层光纤mzi，令干涉光束分别在光纤包层与外部溶液介质中独立传输累计光程差并最终汇合，获得了高达-6149.09nm/riu的超高折射率灵敏度。尽管该机制显著增强了传感响应，但其过度依赖高精度的微量级错位熔接工艺，且由此产生的器件结构极度脆弱，限制了其实际工程应用。

5、综上，光液间接接触型方案（如拉锥、腐蚀工艺）高度依赖倏逝场微扰，但受限于倏逝场极浅的穿透深度，光子与液体的有效作用体积受限，灵敏度存在本征物理上限；光液直接接触型方案（如大偏置错位熔接）虽迫使干涉光路脱离固态波导并深度穿透待测溶液，但极端波导形变导致传感探头极度脆弱，丧失了实际应用所需的工程鲁棒性。如何破解极高传感灵敏度与微纳结构机械稳定性之间的矛盾，是该领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明意在提供基于液态波导的光纤mzi超灵敏度折射率传感，以解决目前传感器高灵敏度下其机械强度较低的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：基于液态波导的光纤mzi超灵敏度折射率传感，包括：玻璃v型槽和两段smf-mmf光纤结构，所述smf-mmf光纤结构嵌入玻璃v型槽内，位于玻璃v型槽内两段smf-mmf光纤结构对称设置，位于玻璃v型槽内的smf-mmf光纤结构轴线相重合，v型槽的天然槽线用以作为高精度轴向对准的基准，位于玻璃v型槽内的smf-mmf光纤结构之间设有间隙，间隙用于填充待测溶液作为液态波导；所述smf-mmf光纤结构包括依次连接的单模光纤和阶跃型多模光纤；单模光纤长度为，阶跃型多模光纤长度为，两段smf-mmf光纤结构轴向间隙构成的液态波导长度设为。

3、输入光经左侧单模光纤smf的纤芯传输至多模光纤mmf，在mmf中激发出高阶模。随后，基模与高阶模共同进入间隙处的液态波导并向前传输，因传播常数不同而累积一定的光程差。最后，两束光经右侧mmf汇聚并耦合回右侧smf纤芯，发生mzi干涉。由于液态波导的有效折射率直接受待测溶液折射率的影响，当液态波导折射率改变时，干涉光谱的共振波长将发生相应漂移，从而实现对折射率的高灵敏度传感。

4、本方案的传感器结构能使参与干涉的两路光束均在待测溶液中传输，该方案不仅能打破单路光液作用的重叠率限制，实现传感灵敏度的二次跃升，更能彻底规避复杂的错位熔接工艺，从而在实现极致增敏的同时，有效保障传感器的机械强度与稳定性。

5、优选的，待测溶液的折射率为1.3360~1.3390，可根据实际测量需求更改折射率范围。

6、优选的，所述单模光纤的纤芯与包层直径分别设为8.3um和125um；所述阶跃型多模光纤的纤芯与包层直径分别设为50um和125um。

7、优选的，所述玻璃v型槽的折射率为1.36~1.45，可改变所述液体波导传播区域周围的折射率分布，使传播模式产生不同程度的空间重构，从而调节不对称模场分布。

8、优选的，所述为212um，所述为800um。本实施例中和根据液态波导折射率进行调整，不同折射率的液态波导影响光束衍射角大小会和与共同构成空间匹配条件，实现参数的动态调控。

9、优选的，还包括根据待测溶液调整液态波导长度。在传感区域内，受溶液折射率影响的光束衍射角大小与传输长度构成了空间匹配条件，二者共同决定了高阶群模式的激发状态，从而直接调制输出光谱的干涉质量与fsr大小，并对波导灵敏度产生影响。针对性的进行调整，以实现较低浓度微弱的信号调制，达到较低浓度下离子含量检测的目的。

10、为了达到上述目的，本发明还提供了基于液态波导的光纤mzi超灵敏度折射率传感的制作方法，包括以下步骤：

11、步骤1：将单模光纤和阶跃型多模光纤进行端面熔接，并将阶跃型多模光纤切割至，按照前述步骤制作两段smf-mmf光纤结构；

12、步骤2：将两段smf-mmf光纤结构以smf-mmf和mmf-smf的顺序嵌入定制的玻璃v型槽中，并将smf-mmf光纤结构固定在玻璃v型槽中，以v型槽的天然槽线作为高精度轴向对准的基准；同时在两段smf-mmf光纤结构之间预留预设长度的间隙；

13、步骤3：将待测溶液加入两段smf-mmf光纤结构之间预留的间隙区域内以充当开放式液芯波导，完成传感器的制备。

14、优选的，所述步骤2中通过在显微数字成像系统下进行显微精密微调，使两段smf-mmf光纤结构相对端面间形成预设长度的间隙。

15、本方案优点：

16、本方案提出了一种基于“液态波导”结构的新型高灵敏度mzi传感器，v型槽不仅实现了对模场的主动调控，更提供了极其稳固的物理支撑，完全避免了对光纤本体的破坏性加工；这一特性从根本上克服了传统高灵敏mzi传感器结构脆弱、难以工程化应用的瓶颈。本方案传感器基础折射率传感灵敏度高达-18872.60nm/riu；本方案传感器用于痕量铬离子（cr3+）的浓度检测时，在pg/ml的极低浓度量级下，其检测灵敏度达到了34.48pm/(pg/ml)；本方案所提出的传感器为一种低成本、高可靠的实用化重金属离子监测与生化分析提供了一种极具潜力的创新方案。

1.基于液态波导的光纤mzi超灵敏度折射率传感，其特征在于，包括：玻璃v型槽和两段smf-mmf光纤结构，两端所述smf-mmf光纤结构嵌入玻璃v型槽内，位于玻璃v型槽内两段smf-mmf光纤结构对称设置，两段位于玻璃v型槽内的smf-mmf光纤结构轴线相重合且二者之间设有间隙，所述间隙用于填充待测溶液作为液态波导；所述smf-mmf光纤结构包括依次连接的单模光纤和阶跃型多模光纤；单模光纤长度为，阶跃型多模光纤长度为，两段smf-mmf光纤结构轴向间隙构成的液态波导长度设为。

2.根据权利要求1所述的基于液态波导的光纤mzi超灵敏度折射率传感，其特征在于：液态波导的折射率为1.3360~1.3390。

3.根据权利要求1所述的基于液态波导的光纤mzi超灵敏度折射率传感，其特征在于：所述单模光纤的纤芯与包层直径分别设为8.3um和125um；所述阶跃型多模光纤的纤芯与包层直径分别设为50um和125um。

4.根据权利要求3所述的基于液态波导的光纤mzi超灵敏度折射率传感，其特征在于：所述玻璃v型槽的折射率为1.36~1.45。

5.根据权利要求2或3所述的基于液态波导的光纤mzi超灵敏度折射率传感，其特征在于：所述为212um，所述为800um。

6.根据权利要求1所述的基于液态波导的光纤mzi超灵敏度折射率传感，其特征在于：还包括根据待测溶液调整液态波导长度。

7.根据权利要求1所述的基于液态波导的光纤mzi超灵敏度折射率传感的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：所述步骤2中通过在显微数字成像系统下进行显微精密微调，使两段smf-mmf光纤结构相对端面间形成预设长度的间隙。