一种基于双孔微结构光纤的法布里-珀罗微流腔传感器的制作方法

一种基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器
技术领域
1.本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器。


背景技术：

2.传感技术是信息产业中与通信技术和计算机技术并重的三大支柱产业之一，广泛应用于国防安全、生物传感、医药化工、食品安全和环境监测等领域。光纤传感器作为一个重要的分支，以其体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐温耐高压等诸多优异的性能占据着传感器领域的重要地位。光纤传感器以光信号作为传输信息的媒介，通过光信号与物质的相互作用来感知不同物理量，例如应力、曲率、温度、湿度、折射率等。当周围环境物理量产生变化时，光信号的特征参数也会随之改变，如波长、相位、强度等，通过分析解调输出光信号的特征参数与被测物理量的关系，即可实现光纤传感。目前已有多种光纤传感器被研发，例如光纤法布里
‑
珀罗传感器，光纤光栅传感器，光纤spr传感器，光纤多模干涉仪，光子晶体光纤传感器等等。其中光纤法布里
‑
珀罗传感器由于其高灵敏度、易集成等特点备受关注，已经成为压力、温度、折射率等传感领域的研究热点。但是目前常见的光纤法布里
‑
珀罗传感器多为光纤外部传感，这限制了传感器的灵敏度，也容易受到外界环境的干扰，本发明采取光纤内部微流传感的方式对待测样品进行检测，由于传感器内光纤微流腔体积小，可以对微量样品进行检测，同时可以有效减少外界干扰，提高传感器灵敏度。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服背景技术中存在的不足，提供一种基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器，以实现高灵敏度的无干扰光纤内部折射率测量。
4.为实现上述技术目的所采用的技术方案为：
5.一种基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器，由超连续谱光源(1)、光纤环形器(2)、双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头(3)、光谱分析仪(4)、微流泵(5)、废液池(6)组成，所述双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头(3)由开孔石英毛细管(7)形成待测样品的进液口，双孔微结构光纤(8)尾端形成待测样品的出液口，进液口和出液口分别与微流泵(5)以及废液池(6)相连接。
6.进一步的，所述的双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头的制备方法包括以下步骤：
7.1)将一段石英毛细管(7)去除涂覆层，用酒精擦拭后将端面切平，使用飞秒激光器在距离端面50微米处对石英毛细管壁进行打孔，孔径控制在20微米；
8.2)将一段单模光纤(9)去除涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平整，然后利用光纤在线微加工平台将该单模光纤(9)与步骤1)处理后的开孔石英毛细管(7)进行熔接，熔接完成后利用光纤在线微加工平台对距离熔接点100微米处的石英毛细管(7)进行截断处理；
9.3)将一段双孔微结构光纤(8)去除涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平整，然后
利用光纤在线微加工平台把该双孔微结构光纤(8)与步骤2)所得单模(9)
‑
开孔石英毛细管(7)对齐熔接，熔接处理完成后，利用光纤在线微加工平台在距离熔接点1厘米处的双孔微结构光纤(8)进行截断处理；
10.4)将经过步骤3)处理后的双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头(3)与微流泵(5)和废液池(6)相连，使用微流泵(5)通过所述开孔石英毛细管向传感器内匀速泵入折射率匹配液，便可实现在光纤内部的微流控折射率传感测量。
11.进一步的，步骤1)所述的石英毛细管外径为125微米，内径为75微米，步骤2)所述的单模光纤包层直径为125微米，纤芯直径为8.2微米，步骤3)所述的双孔微结构光纤包层直径为128微米，纤芯直径为9.2微米，空气孔直径为43微米，步骤4)中所述的折射率匹配液是由不同溶度的甘油配置而得，折射率范围为1.333
‑
1.340。
12.一种基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器的制备方法，将超连续谱光源(1)、光纤环形器(2)、双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头(3)、光谱分析仪(4)依次串联，并将微流泵(5)和废液池(6)通过开孔石英毛细管(7)和双孔微结构光纤(8)尾端与传感器相连。
13.本发明相比现有技术具有以下优点：
14.本发明采用法布里
‑
珀罗结构作为传感探头，拥有较高的灵敏度，同时创新性的使用开孔石英毛细管与双孔微结构光纤相结合作为液体流通通道和检测微腔，实现了光纤内部微流检测，抗干扰性强、结构新颖、制作简单，在疾病检测、药品开发、环境监测、食品安全等诸多领域有着广泛的应用前景。
附图说明
15.图1为本发明提供的基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器装置图。
16.图2为本发明提供的基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器的双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头示意图。
17.图3为本发明提供的基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器的双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头制作流程图。
具体实施方式
18.下面结合附图及具体实施方式对本发明进行进一步的说明。
19.实施例1
20.本实例是利用一种基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器进行液体折射率的测量。当输入光由光源发出，通过光纤环形器输入端进入到由开孔石英毛细管构成的传感器微流腔内后，一部分输入光将会从微流腔的一个端面反射，另一部分光继续传播，随后从微腔的第二个端面反射回来，两束光将耦合回光纤环形器输出端纤芯中并发生干涉。当微流腔中被测物理量发生改变的时候，两束光的相位差也随之变化，从而导致干涉谱发生漂移。因此，通过观察干涉谱波峰/波谷的波长变化即可实现对微流腔内折射率的检测。
21.本发明的工作原理是：从超连续谱光源中发出的光通过光纤环形器输入端传输进入到传感器微流腔内后，一束光将从由开孔石英毛细管构成的微流腔的第一个端面反射回
来，另一束光到达微腔的第二个端面后也随之反射回来。两束相干光耦合回光纤环形器输出端，并在纤芯中产生干涉。当传感器微流腔中待测样品折射率发生改变时，会引起两束相干光的相位差发生改变，传感器的干涉谱也随之发生漂移。传感器的反射光输出光强i可以表示为：
[0022][0023]
其中，为两束光i1和i2的相位差，可以表示为：
[0024][0025]
其中l为传感器微流腔腔长，n为传感器微流腔中填充液体的折射率，λ为入射光波长。从上式中可以看出，当传感器微流腔腔长固定时，微流腔内液体折射率的改变会引起输出光信号产生变化。
[0026]
结合附图1，一种基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器包括超连续谱光源(1)、光纤环形器(2)、双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头(3)、光谱分析仪(4)、微流泵(5)、废液池(6)，所述双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头(3)由开孔石英毛细管(7)形成待测样品的进液口，双孔微结构光纤(8)尾端形成待测样品的出液口，进液口和出液口分别与微流泵(5)以及废液池(6)相连接。
[0027]
结合附图2，一种基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器的双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头(3)由开孔石英毛细管(7)、双孔微结构光纤(8)组成。
[0028]
结合附图3，一种基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器的双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头(3)制备方法包括以下步骤：
[0029]
步骤一：将一段石英毛细管(7)去除涂覆层，用酒精擦拭后将端面切平，使用飞秒激光器在距离端面50微米处对石英毛细管壁进行打孔，孔径控制在20微米；
[0030]
步骤二：将一段单模光纤(9)去除涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平整，然后利用光纤在线微加工平台将该单模光纤与步骤一处理后的开孔石英毛细管(7)进行熔接，熔接完成后利用光纤在线微加工平台对距离熔接点100微米处的石英毛细管(7)进行截断处理；
[0031]
步骤三：将一段双孔微结构光纤(8)去除涂覆层，用酒精擦拭干净后将端面切平整，然后利用光纤在线微加工平台把该双孔微结构光纤(8)与步骤二所得单模(9)
‑
开孔石英毛细管(7)对齐熔接，熔接处理完成后，利用光纤在线微加工平台在距离熔接点1厘米处的双孔微结构光纤(8)进行截断处理，得到双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头(3)。
[0032]
对一种基于双孔微结构光纤的法布里
‑
珀罗微流腔传感器的折射率分辨性能进行测试。将双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头(3)通过光纤环形器(2)分别与超连续谱光源(1)和光谱分析仪(4)相连。使用不同浓度的甘油配置折射率分别为1.333、1.334、1.335、1.336、1.337、1.338、1.339、1.340的折射率匹配液。将微流泵(5)与双孔微结构光纤法布里
‑
珀罗微流腔传感探头(3)连接在一起，通过开孔石英毛细管(7)和双孔微结构光纤(8)形成的进出液口向传感器内部匀速注入液体。每次更换不同的折射率匹配液前使用酒精清洗传感器，直到传感器干涉谱恢复至初始光谱再开始下一次测量。实验全程位于室温下进行。
[0033]
综上，本发明的光纤折射率传感器结构新颖，制作简单，抗干扰性强，对折射率灵敏度高，在诸多领域有着广阔的应用前景。