CN102042969A - 基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器及其制备方法，包括：纤芯103、包层101、保护层102、光学介质微球谐振器104、镀有沸石分子筛膜105。其中，纤芯103外包有包层101，包层101外覆盖保护层102，三者组成一根光纤主体，光纤主体的中部被加工出一个凹槽并露出纤芯103，凹槽侧壁固定了一个带微杆的镀有沸石分子筛膜105的光学介质微球谐振器104。利用微球谐振器104自身的结构代替传统激光近场加工的显微探针，在飞秒激光照射下微球谐振器104周围光场为近场分布，通过近场加工可使微球谐振器104和主体光纤的间隙达到几至几十纳米。

Description

基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于高灵敏度微型传感器领域，涉及球形微谐振器及在其表面形成的沸石膜分子筛以及光纤传感技术，特别涉及一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器及其制备方法。
背景技术
微光学谐振器由于具有对折射率变化的高敏感性，已经被成功用于化学、生物传感器的开发，已研发的微谐振器形式包括球形、柱状，环形，盘形，矩形等，这些旋转对称的微谐振器支持高品质的回音廊模式(whispering gallery modes，简称WGMs)。其中，球形微谐振器因其极高的品质因数和极小的模式体积而受到日益广泛的关注，将在要求极细线宽、极高能量密度和极细微探测能力的场合中得到重要应用，在非线性光学、窄带光学滤波、超高灵敏度微型传感器等许多领域具有广泛的应用前景。
沸石是一种结晶型的铝硅酸盐，其晶体结构中有规整而均匀的孔道，孔径为分子大小的数量级(一般小于1纳米)，只允许直径比孔径小的分子进入，因此能将混合物中的分子按大小加以筛分。利用这一特性，可将沸石制备成厚度为微米级的薄膜分子筛。沸石的纳米孔径使其具有很大的比表面积，这种性质使它能有效地从周围环境中吸附被检测物质的分子并使其聚集并浓缩在一起。被检测物质的分子因为其大小和形状而被有选择性地吸附，从而导致沸石孔的光学结构和光学性质改变，例如折射率发生改变。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的微型光纤传感器，能够检测环境中特定分子的存在及浓度，如毒品蒸汽、炸药蒸汽、坑道气体分子，可应用于环境控制、工业过程处理、矿山生产、公共安全设施、反恐、缉毒、国土安全等领域，灵敏度达到ppm、ppb量级。
本发明的另一目的是提出一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器制备方法，使微谐振器的制备变得简单容易，重复性好；使微谐振器表面能得到厚度和孔径稳定的沸石膜；实现了纳米间隙的装配，得到最优的信号耦合，解决了传统微小型传感器组装困难的瓶颈。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的微型光纤传感器，包括：纤芯103、包层101、保护层102、光学介质微球谐振器104、镀有沸石分子筛膜105。其中，纤芯103外包有包层101，包层101外覆盖保护层102，三者组成一根光纤主体，光纤主体沿横轴方向的中部被加工出一个凹槽并露出纤芯103，凹槽内固定一个带光纤微柄的镀有沸石分子筛膜105的光学介质微球谐振器104。
所说的光学介质微球谐振器的直径为40～80微米，其表面所镀的沸石分子筛膜厚度为1～10微米，平均孔径小于1纳米。
所说的光学介质微球谐振器与光纤主体之间的间隙为40～160纳米。
本发明基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器的制备方法如下：
第一步：取一根光纤，将中间部分的保护层剥去并露出光纤包层，利用脉冲激光高温将光纤中部局部熔融，使中部呈现锥状并逐渐变细，控制拉制过程使最细部分直径达几微米后至拉断；
第二步：用脉冲激光将光纤被拉断的末端局部熔融，在表面张力作用下光纤末端形成较标准的球形，通过控制时间长短来获得不同直径的介质微球，，冷却后得到一个带光纤微柄的谐振器微球；
所述时间为0.5～2分钟。
第三步：将10％的四丙基氨氢氧化合物溶液、8.5％的正硅酸乙酯溶液和蒸馏水按1∶2.33∶4.57的体积比例混合，搅拌均匀后将混合液放置到一个合成反应器中；
第四步：将第二步生成的带有光纤微柄的谐振器微球置于第三步中装有混合液的合成反应器中，然后在烘箱中烘焙后合成沸石膜；；
第五步：用蒸馏水清洗镀膜后的带有光纤微柄的谐振器微球，将镀膜的带光纤柄的微谐振器进行超声波浴；
上述的第五步后重复第四步以增加沸石膜厚度。
第六步：将第五步镀膜后的带有光纤微柄的谐振器微球在烘箱中焙烧，得到沸石分子筛镀膜的带光纤微柄的微谐振器；
第七步：将主体光纤的保护层102剥去一部分，用化学腐蚀方法腐蚀将光纤包层101腐蚀一部分露出纤芯103；
第八步：将第六步制备的镀有沸石分子筛膜105的微球谐振器104利用激光微焊接方法通过微柄固定在主体光纤凹槽内，固定后的微球与光纤凹槽上的纤芯103直接接触上；
第九步：利用微球谐振器104自身的形状和尺寸，采用飞秒激光近场加工，在微球谐振器104和纤芯103之间加工出40～160纳米的间隙。
至此完成了该微型光纤传感器的制备。
本发明的有益效果：
利用微球谐振器104自身的结构代替传统激光近场加工的显微探针，在飞秒激光照射下微球谐振器104周围光场为近场分布，通过近场加工可使微球谐振器104和主体光纤的间隙达到几至几十纳米。由于本发明的介质微球谐振器有效(大的比表面积)和有选择性(均匀孔径的纳米孔)收集和浓缩环境中待检测化学、生物分子，从而改变沸石镀膜层的折射率，因此，本发明的光纤微传感器可实现超高灵敏度的化学、生物检测。
附图说明
图1为本发明基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器的结构示意图。
图2为本发明基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器的工作系统示意图。
具体实施方式
实施例1：
取一根普通光纤，将中间部分的保护层剥去并露出光纤包层，利用脉冲激光高温将光纤中部局部熔融，使中部呈现锥状并逐渐变细，控制拉制过程使最细部分直径达几微米后至拉断。然后继续用脉冲激光将光纤被拉断的末端局部熔融，在表面张力作用下光纤末端形成较标准的球形，控制熔融时间，冷却后得到一个带光纤微柄的直径为50微米的微球。
将6.56毫升的TPAOH(四丙基氨氢氧化合物)溶液、15.3毫升的TEOS(正硅酸乙酯)溶液和30毫升蒸馏水混合，在50摄氏度下搅拌3小时。将带有光纤微柄的微谐振器置于混合液中并将混合液放置到合成反应器中，置于混合液中的长度为12-15毫米。在烘箱中预热到180摄氏度，在180摄氏度下水热12小时合成沸石膜。用蒸馏水清洗后，将已镀膜的微球谐振器进行5分钟的超声波浴。之后将上述镀膜过程重复一遍以增加沸石膜厚度。最后将已镀膜的微球谐振器在烘箱中，80摄氏度下烘干10小时后，在空气中500摄氏度下(升降温速率为2摄氏度/分钟)焙烧3小时，最后得到了沸石分子筛镀膜的微球谐振器。
如图1所示，取一根纤芯直径为9微米，包层直径为125微米的单模光纤用作传感器的主体光纤，将保护层102剥去一部分，用化学腐蚀方法腐蚀将光纤包层101腐蚀一部分露出纤芯103，将制备好的镀有沸石分子筛膜105的直径为50微米的微球谐振器104利用激光微焊接技术通过微柄固定在主体光纤凹槽内。利用微球谐振器104自身的结构代替传统激光近场加工的显微探针，在飞秒激光照射下微球谐振器104周围光场为近场分布，通过近场加工使微球谐振器104和主体光纤的间隙为40-60纳米。
实施例2：
将本发明传感器用于检测环境中的化学、生物分子浓度的实验系统装置如图2所示：将本发明基于沸石分子筛镀膜微谐振器的超高灵敏度微型光纤传感器202放置在待测环境中，当激光光源201输出的波长连续变化的入射光经耦合入射进入本传感器202，由于光被耦合进入微球谐振器，某些特定波长的光在微球谐振器内形成回音廊模式，从本传感器202的主体光纤输出的光被探测器203接收并送入光谱仪204得到吸收光谱205，吸收光谱205的“透射率-波长”曲线就会产生一系列共振吸收带，这些共振带对应的波长对沸石镀膜层的折射率变化非常敏感。当光学微球谐振器吸附环境中某种物质分子时，沸石膜层的折射率发生改变，产生回音廊模式的光波长也发生了变化。此时光谱205的透射率谷位置发生移动，通过对其光谱变化的分析计算，可以得到折射率的改变量，而折射率的改变与环境相应物质分子浓度相对应，由此可以检测出气体中所测化学、生物分子的浓度。
如图2，本发明的工作过程为：当激光光源201输出的波长连续变化的入射光经耦合入射进入本传感器202，由于光被耦合进入微球谐振器，某些特定波长的光在微球谐振器内形成回音廊模式，从本传感器202的主体光纤输出的光被探测器203接收并送入光谱仪204得到吸收光谱205，吸收光谱205的“透射率-波长”曲线就会产生一系列共振吸收带，这些共振带对应的波长对沸石镀膜层的折射率变化非常敏感。

Claims (6)

1.一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的微型光纤传感器，其特征在于：包括：纤芯(103)、包层(101)、保护层(102)、光学介质微球谐振器(104)、镀有沸石分子筛膜(105)，其中，纤芯(103)外包有包层(101)，包层(101)外覆盖保护层(102)，三者组成一根光纤主体，光纤主体沿横轴方向的中部被加工出一个凹槽并露出纤芯(103)，凹槽内固定一个带光纤微柄的镀有沸石分子筛膜(105)的光学介质微球谐振器(104)。
2.根据权利要求1所述的一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的微型光纤传感器，其特征在于：所述的光学介质微球谐振器的直径为40～80微米，其表面所镀的沸石分子筛膜厚度为1～10微米，平均孔径小于1纳米。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的微型光纤传感器，其特征在于：所述的光学介质微球谐振器与光纤主体之间的间隙为40～160纳米。
4.一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：取一根光纤，将中间部分的保护层剥去并露出光纤包层，利用脉冲激光高温将光纤中部局部熔融，使中部呈现锥状并逐渐变细，控制拉制过程使最细部分直径达几微米后至拉断；
第二步：用脉冲激光将光纤被拉断的末端局部熔融，在表面张力作用下光纤末端形成较标准的球形，通过控制时间长短来获得不同直径的介质微球，冷却后得到一个带光纤微柄的谐振器微球；
第三步：将10％的四丙基氨氢氧化合物溶液、8.5％的正硅酸乙酯溶液和蒸馏水按1∶2.33∶4.57的体积比例混合，搅拌后将混合液放置到一个合成反应器中；
第四步：将第二步生成的带有光纤微柄的谐振器微球置于第三步中装有混合液的合成反应器中，然后在烘箱中烘焙后合成沸石膜；
第五步：用蒸馏水清洗镀膜后的带有光纤微柄的谐振器微球，将镀膜的带光纤柄的微谐振器进行超声波浴；
第六步：将第五步镀膜后的带有光纤微柄的谐振器微球在烘箱中焙烧，得到沸石分子筛镀膜的带光纤微柄的微谐振器；
第七步：将主体光纤的保护层(102)剥去一部分，然后用化学腐蚀方法腐蚀将光纤包层(101)腐蚀一部分露出纤芯(103)；
第八步：将第六步制备的镀有沸石分子筛膜(105)的微球谐振器(104)利用激光微焊接方法通过微柄固定在主体光纤凹槽内，固定后的微球与光纤凹槽上的纤芯(103)直接接触；
第九步：利用微球谐振器(104)自身的形状和尺寸，采用飞秒激光近场加工，在微球谐振器(104)和纤芯(103)之间加工出40～160纳米的间隙。
5.根据权利要求4所述的一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器的制备方法，其特征在于：第二步所述时间为0.5～2分钟。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器的制备方法，其特征在于：上述的第五步后重复第四步以增加沸石膜厚度。
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