CN101975763A - 一体化探头式微球腔传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明一体化探头式微球腔传感器，包括集成输入光纤、微球腔、集成输出光纤。其特点是：所述的微球腔为球形的形状，并与集成输入光纤、集成输出光纤集成为一体，微球腔作为光传输载体和外部参量探头，所述集成输入光纤，作为光信号输入端，所述集成输出光纤，作为光信号输出端；该微球腔传感器是将激光输入，光耦合、光传输及光探测一体化集成的传感器。本发明克服了传统微腔需要依赖锥形光纤进行光学模式激发，结构分立的缺点，结构简单，与光纤集成耦合，可靠性高，体积小、质量轻、耐振动、精度高、低成本，低功耗，抗电磁干扰能力强，可用于气体浓度测量，液体浓度测量，生物蛋白细胞检测等领域。
Description
技术领域
本发明属于微光机电系统技术领域，特别是涉及一体化探头式微球腔传感器。
背景技术
回音壁模式(WGM)高Q光学微腔得到了广泛研究。在该回音壁光学传输模式中，激光沿着光学微腔大圆以全反射方式传播，因此微腔内光能量只有极小部分泄露到腔外，从而形成了沿界面传播的高Q值光学模式。超高Q值使得此类光学微腔可应用于低阈值激光发射、高灵敏传感器、光通讯器件等领域。
但是，传统的微球腔光学模式激发需要依赖外部耦合器进行耦合，比如：锥形光纤。这种耦合系统的组成部分(微球腔、耦合器)是分立的。分立的耦合系统对于其在传感探测方面的应用存在探测不便，系统稳定性差，集成度较差等缺点。
发明内容
本发明的目的是克服现有微腔需要依赖锥形光纤进行光学模式激发和结构分立等缺点，设计和提供一种结构简单，与光纤通讯系统兼容的、集成耦合一体化探头式微球腔。。
为实现上述的目的，本发明采取以下技术方案：
一体化探头式微球腔传感器，包括集成输入光纤、微球腔、集成输出光纤；其特征在于：所述的微球腔为球形的形状，并与集成输入光纤、集成输出光纤集成为一体，微球腔作为光传输载体和外部参量探头，所述集成输入光纤，作为光信号输入端，所述集成输出光纤，作为光信号输出端；该微球腔传感器是将激光输入，光耦合、光传输及光探测一体化集成的传感器。
一体化探头式微球腔传感器的制作方法，所述集成输入光纤(1)与集成输出光纤(3)均利用单模标准光纤制备，其特征在于：首先，应用光纤剥线钳进行剥纤以祛除单模光纤包层，并应用酒精进行清洗；其次，所述的微球腔与集成输入光纤和集成输出光纤采用对接方式连接，是利用CO2激光器加热集成输入光纤和集成输出光纤的对接末端，然后依靠融融状态下二氧化硅的表面张力使之对接形成。
本发明由于采取以上技术方案，其实现了激光输入，光耦合、光传输以及光探测的一体化集成，具有以下实质性特点和显著地有益效果：
1、采用集成输入光纤，集成输出光纤与微球腔集成一起的结构，彻底改变了以往微球腔需要通过外部锥形光纤进行进场耦合、探测的分立结构，实现了光输入，传输与探测一体化，易加工，加工灵活性高，而且结构无可动部件，性能稳定。
2、采用的微球腔为二氧化硅材料，球形形状，利用CO2激光器加热单模光纤末端，依靠融融状态下二氧化硅的表面张力形成。与传统氢火焰热源相比，激光热源具有功率可调、与微腔无接触的优势，避免了氢火焰加热过程中氢氧根离子掺入，从而减小了光传输的损耗，提高了微球腔的品质因子，进而保证测量精度。
3、采用的微球腔与集成输入光纤、集成输出光纤耦合结构简单，可以根据实际测量要求改变微球腔大小，并且使用方便；微球腔作为探头，可适用于气体浓度，液体浓度、温度等环境的物理参数测量。还可以通过表面修饰技术对微球腔进行表面表征，以实现更高灵敏度的靶向传感。
4、由于采用微球腔实现光传输与谐振，可以扩展现有技术下微球腔应用范围，可应用在如电磁复杂和超高真空系统等要求非常严格的环境中。
5、由于利用光透射谱线共振峰中心频率的显著变化测量外部信号变化，如气体浓度，液体浓度等，并且可以获得较高的测量精度。
本发明的结构可靠性高，体积小、质量轻、耐振动、低成本、低功耗、抗电磁干扰能力强，主要应用在气体浓度测量，液体浓度测量，生物蛋白细胞检测以及温度监测等领域，具有加工简便，测量方便，灵活性高，测量精度高的特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的工作原理图。
图3是本发明测试甲烷浓度的实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
本发明探头式一体化微球腔传感器的结构：
图1所示，探头式一体化微球腔传感器。一体化探头式微球腔传感器，包括集成输入光纤1、微球腔2、集成输出光纤3；所述的微球腔为球形的形状，并与集成输入光纤、集成输出光纤集成为一体，微球腔作为光传输载体和外部参量探头，所述集成输入光纤，作为光信号输入端，所述集成输出光纤，作为光信号输出端；该微球腔传感器是将激光输入，光耦合、光传输及光探测一体化集成的传感器。
其中，集成输入光纤1与集成输出光纤3的角度可以为任意值，在探头式应用中最佳角度值应为0～60°。集成输入光纤1通过普通单模光纤4与激光光源5相连，集成输出光纤3的光信号被快速响应光电探测器6接受，并被转化为相应的电信号。最后，该电信号传输至信号处理模块7，并通过相应的处理程序读出传感的物理量值。
一体化探头式微球腔传感器的制作方法，集成输入光纤与集成输出光纤为普通单模光纤，利用普通单模标准光纤(SF-28)制备，首先，应用光纤剥线钳进行剥纤以祛除单模光纤包层，并应用酒精进行清洗；其次，所述的微球腔与集成输入光纤和集成输出光纤采用对接方式连接，是利用CO2激光器加热集成输入光纤和集成输出光纤的对接末端，然后依靠融融状态下二氧化硅的表面张力使之对接形成。
本发明整体采用二氧化硅材料，集成输入光纤与集成输出光纤通过拉制，光纤直径为：2μm-3μm。微球腔赤道面直径为：150μm-500μm，
本发明的工作原理：
图2所示，本发明采用激光光源5，激光发射后，通过输入端口A，进入集成输入光纤1，直接耦合入微球腔2，并在微球腔2中发生共振，再通过集成输出光纤3，进入输出端口B，光信号被快速响应光电探测器6接受。其中：
激光器发出的光经集成输入光纤，直接耦合入微球腔。当传输的光满足谐振条件时，在微球腔中发生共振，并经集成输出光纤输出到光电探测器。当将该结构置于某环境中时，光经过集成输入光纤，微球腔与集成输出光纤得到某一信号；当所置某环境中的气体，液体浓度发生变化时，改变了微球腔透射谱的变化，通过探测透射谱的变化，可以探测某环境中气体，液体浓度。
例如对某环境下甲烷气体浓度进行测试：
使用探头式一体化微球腔传感器测量某环境下甲烷气体浓度时，激光器发出的激光，通过输入端口A，进入集成输入光纤1，直接耦合入微球腔2，并在微球腔2中发生共振，再通过集成输出光纤3，进入输出端口B，光信号被快速响应光电探测器6接受。当该微球腔传感器的微球腔置于真空中时，经过微球腔的光透射谱为信号Ⅰ；当该微球腔传感器的微球腔置于一定浓度的甲烷气体环境下时，由于甲烷气体的存在改变了光传输过程中的有效折射率，进而改变了经过微球腔的光透射谱，得到信号Ⅱ。因此，通过检测信号Ⅰ与信号Ⅱ的共振峰值变化，可以反馈得到待测环境中甲烷气体的浓度。图3为测试结果图。
Claims (3)
1.一体化探头式微球腔传感器，包括集成输入光纤(1)、微球腔(2)、集成输出光纤(3)；其特征在于：所述的微球腔为球形的形状，并与集成输入光纤、集成输出光纤集成为一体，微球腔作为光传输载体和外部参量探头，所述集成输入光纤，作为光信号输入端，所述集成输出光纤，作为光信号输出端；该微球腔传感器是将激光输入，光耦合、光传输及光探测一体化集成的传感器。
2.如权利要求1所述的一体化探头式微球腔传感器，其特征在于：所述微球腔的赤道面直径为：150μm-500μm；所述集成输入光纤与集成输出光纤的直径为：2μm-3μm。
3.如权利要求1所述的一体化探头式微球腔传感器的制作方法，所述集成输入光纤(1)与集成输出光纤(3)均利用单模标准光纤制备，其特征在于：首先，应用光纤剥线钳进行剥纤以祛除单模光纤包层，并应用酒精进行清洗；其次，所述的微球腔与集成输入光纤和集成输出光纤采用对接方式连接，是利用CO2激光器加热集成输入光纤和集成输出光纤的对接末端，然后依靠融融状态下二氧化硅的表面张力使之对接形成。
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