CN106896277B - 一种基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器，包括激光光源、中段拉伸为微纳光纤的单模光纤、电光聚合物、光电探测器。激光光源通过单模光纤与包裹在电光聚合物的微纳光纤连接，当光沿着微纳光纤传输时有一大部分能量以倏逝场的形式进行传输，微纳光纤增强了光场与外界物质相互作用，外界电场的变化会引起包裹微纳光纤的电光聚合物的折射率的变化，即微纳光纤周围环境的折射率发生变化。微纳光纤与电光聚合物之间折射率的变化会导致倏逝场能量的损耗发生变化。最终使用光电探测器对输出光的强度进行检测，就可以得出外界电场信息。

Description

一种基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器

技术领域

本发明属于光纤元件及光纤传感领域，具体涉及一种基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器。

背景技术

电场测量在诸多科学研究和工程技术领域均具有重要意义。随着通信技术的飞速发展，恶劣的电磁环境会直接影响系统和设备的正常运行，因此电场强度的测量在电磁兼容方面占有重要地位。

传统的电场测量方法在实际应用中表现出诸多缺点，现有电磁测量系统通常使用有源金属探头，这不仅会对被测电磁场产生干扰，还会使测量信号受到电磁噪声的干扰，导致无法测得正确结果。此外，传统电磁测量器件还存在体积过大、频率响应范围过窄等问题。电场测量属于介入测量，传感器的介入会畸变待测点电场。当传感器在狭小空间内靠近电子设备表面进行抵近测量时，传感器对待测电场的畸变会更显著。电场畸变程度和范围与传感器介质的介电常数和电导率有关，传统电场传感器不免带有金属导体，由于感应电场的扰动使被测场产生畸变，从而限制了测量值的正确性和空间分辨率。同时当测量天线近场数值时，传统探测器和天线之间的多次反射会造成所有天线远场参数测量结果都有误差。

从不受电磁干扰影响这一点出发，仅在测量部分需要少量介质材料的光学电场传感器，在电场测量中的应用特别具有吸引力。光电电场传感器利用外加电场改变介质的光学特性从而对光信号进行调制，通过光信号相位幅值等的变化来检测电场信号，此类型传感器具有电磁兼容性强、对源场干扰小等优点。采用光学电场传感器，可以使得整个电场测量系统变成超小型，并具有不会干扰被测电场、器件工作稳定可靠、体积小、易集成等优点，同时还可通过光纤连接实现远距离控制与监测。

光纤作为构建光子学器件最基本的结构单元，也逐渐进入微型化发展的阶段，微纳光纤在实现传统光纤功能外，还具有很多不同于普通光纤的特性。当光纤的直径达到微纳量级时，光纤内的光场有很大一部分能量分布在光纤之外，称为倏逝场。这部分光纤之外的倏逝场与环境发生相互作用后，可根据输出光的强度或相位信息得到待测量数据，其灵敏度非常高。因此微纳光纤非常适合设计制作结构紧凑灵敏度高的传感器。

作为传感介质的非线性光学材料中，基于电光效应的电光材料一直是较为重要的研究领域之一。早期研究的电光材料多为无机或者半导体晶体材料，这类材料电光系数通常较小，制作工艺比较复杂。从80年代末人们开始关注聚合物器件，利用各种不同的极化手段使聚合物具有各向异性，从而获得二阶非线性效应。极化后的聚合物又称为电光聚合物，在外部电场的作用下，材料的折射率会随外加电场的改变而改变。它具有介电系数小、折射率调整范围大、调制速率高、易于加工、成本低廉等优点。

相比于传统的电学电场传感器，光学电场传感器在解决现代工业中电场测量的新问题、新情况时具有非常明显的优势，比如抗电磁干扰等恶劣环境，同时新材料的诞生和光纤光学的深入研究也给电场传感器更大的发展空间。

发明内容

本发明的目的解决现有技术中结构复杂且制作过程相对复杂的问题，本发明是结合微纳光纤倏逝场传输的光学特性和电光聚合物随外加电场变化折射率发生变化的特性，提出一种基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器。该传感器具有灵敏度高、结构简单、体积小、结构紧凑等优点，具有广泛的应用前景。

本发明提供的一种基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器，所述电场传感器包括激光光源、中段拉伸为微纳光纤的单模光纤、电光聚合物和光电探测器；所述的激光光源连接中段拉伸为微纳光纤的单模光纤，单模光纤的另一端连接光电探测器，电光聚合物涂覆在中段拉伸为微纳光纤的单模光纤中的微纳光纤上，并对电光聚合物进行极化。

所述中段拉伸为微纳光纤的单模光纤是在拉锥机上完成，将光纤置于拉锥机夹具上，点火熔融后，夹具拉伸熔融部位为直径1-10um、长度1-5cm的微纳光纤。

所述电光聚合物的制备、涂覆和极化的步骤包括：

(1)将极性生色团分子通过有机溶剂溶解的方式掺杂到非定性聚合物中，制成电光聚合物溶液；

(2)将单模光纤微纳光纤部分固定在玻璃基片上，使用浸渍提拉法在基片以及微纳光纤上涂覆电光聚合物；

(3)在90-100℃的温度下将制备的电光聚合物预热30分钟，随后使用3-12kV的极化电场对电光聚合物进行极化，最优极化时间为30分钟，极化完成后在保持极化电场的情况下使电光聚合物降至室温。

微纳光纤是一种直径尺度在亚波长量级的圆柱光波导，其特点在于：波导横向直径小于入射光波长，光纤本身没有纤芯和包层结构，将其置于外部介质中，可将微纳光纤本身视为纤芯，而光纤周围介质视为包层，从而构成了折射率阶跃分布的光纤波导。微纳光纤一个显著的特点就是其周围有很强的倏逝场。当一光束从高折射率的介质传播到较低折射率的介质中时，如入射角大于临界角，就会产生全反射现象。根据snell定律，可获得临界角θ_c＝arcsin^-1(n₂/n₁)，其中n₁和n₂分别为高折射率与低折射率。依据几何光学，在发生全反射时，光完全不会传到低折射介质内。但是如果从电磁波的角度来看，在发生全反射的界面处，电磁场会向低折射率介质中渗透一小段距离，而且其强度与渗透距离成指数衰减关系，称这种波为倏逝波，其电场强度为：E＝E₀exp(-z/d)，其中

为倏逝波的透射深度，E₀为入射光强度，z为纵轴距离，λ为波长，θ_i是入射光与法线的夹角。根据倏逝波场强公式可以看出，当微纳光纤周围介质折射率发生变化时，会导致倏逝场的大小及透射深度发生变化。同时，利用微纳光纤的大比例的倏逝波与外界被测参量相互作用，导致探测到的输出光强度或位相的改变，从而实现传感功能。

所述的微纳光纤部分是由熔融拉锥法进行制备的，其过程为：使用光纤夹具把单模光纤固定在两个水平位移台上，通过步进电机来控制位移台的速度；在需制备微纳光纤处放置一火焰头。点燃火焰头，使火焰头的外焰靠近光纤，调节步进电机的速度，使两个位移台向两边匀速拉伸光纤，进而在火焰部分形成锥形结构。

将制备好的微纳光纤部位放置在玻璃基板上，并使用浸渍提拉法涂覆电光聚合物，由电光聚合物包裹微纳光纤部分，并将其固定在玻璃基板上。

所述的电光聚合物制备的过程为：将生色团分子与非定性聚合物混合溶解在有机溶剂中制成溶液，制膜后通过一定方式进行极化，使生色团趋向一致并将其状态固定下来，薄膜整体会表现出电光效应。

所述的浸渍提拉制膜的过程为：基片垂直浸入电光聚合物溶液中浸渍一段时间，溶液将基片表面润湿，溶液中的电光聚合物微粒通过布朗运动和表面张力作用向基片表面集结。以一定速度将基片从电光聚合物溶液中垂直提拉出来，液面与基片接触部分，电光聚合物微粒随溶液在基片上形成电光聚合物膜层。膜层内部状态与电光聚合物溶液类似。基片上表面的微球悬浮液膜层，由毛细管力和溶剂挥发引起的液体流动驱使微粒进行均一的排列组装。在表面张力引起的颗粒间作用力和液体挥发引起的液体流动的共同作用下，完成自组装，形成一层电光聚合物膜层。

所述的电光聚合物作为敏感介质，在镀膜操作后需要进行干燥及极化操作，其过程为：成膜后，将样品放入烘箱热处理，在60℃下干燥12小时，蒸发残留在膜表面的溶剂。然后将样品放置于加热台上，将电光聚合物薄膜加热至其玻璃化温度Tg附近，此时其粘度降低，使非线性生色团的易于被极化。在针状电极与底面电极间加上足够高的电压，针与底面电极并不直接接触，周围空气的离子化会导致电荷沉积在薄膜样品表面，造成很强的薄膜内部电场使生色团分子产生极化效应。然后，外加电场维持不变而将薄膜降温，诱发出的电极化密度就会被冻结起来。

制备好的电光聚合物在外加电场作用下，折射率将随外加电场大小变化发生变化，导致微纳光纤倏逝场能量与光纤内能量比例发生变化，即输出光强发生变化，从而实现电场检测。

本发明制作的基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器的工作原理：

本发明是基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器。当光沿着微纳光纤传输时有一大部分能量以倏逝场的形式进行传输，微纳光纤增强了光场与外界物质相互作用。同时，外界电场的变化会引起包裹微纳光纤的电光聚合物折射率的变化，即微纳光纤周围环境的折射率发生变化。电光聚合物由电场引起的折射率变化为

折射率变化会导致倏逝波的能量和穿透深度发生变化，而穿透深度正比于倏逝场造成传输光能量的损耗,从而影响到光纤接收端所接收到的光场能量。所以通过光电探测器检测输出光强就可以得到电场信息。

本发明的优点和有益效果：

本发明方法具有灵敏度高，集成度高，可操作性强等优点，可以广泛应用于光纤传感领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中中段拉伸为微纳光纤的单模光纤的结构图；

图3是本发明中电光聚合物包裹微纳光纤的结构图及原理图；

图中：1.激光光源，2.玻璃基板，3.中段拉伸为微纳光纤的单模光纤，4.电光聚合物涂层，5.光电探测器,6.微纳光纤。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供的基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器，包括激光光源1，玻璃基板2，中段拉伸为微纳光纤的单模光纤3，电光聚合物涂层4，光电探测器5。激光光源1通过中段拉伸为微纳光纤的单模光纤3连接到光电探测器5。所述的中段拉伸为微纳光纤的单模光纤3拉伸为微纳光纤6放置在玻璃基板2上，并涂覆电光聚合物4，见图3所示。

由于微纳光纤部分的作用，激光光源1发出的光通过微纳光纤3时会分为纤芯内传导和在电光聚合物4内以倏逝场形式传导两种形式，最终进入光电探测器5中。

所述中段拉伸为微纳光纤的单模光纤处理过程如下：首先微纳光纤是采用光纤熔融拉锥机进行拉锥处理，将光纤中部拉伸称为直径1-10um、长度1-5cm的微纳光纤6，见图2所示。取大小合适的玻璃基片2，将拉伸好的微纳光纤6使用粘合剂固定在玻璃基片上。

所述电光聚合物薄膜制备过程如下：将质量比的为1:4的DR1和PMMA融入二氯乙烷溶液，搅拌24小时，静置6小时，过滤后使用浸渍提拉机在固定好微纳光纤6的玻璃基片2上进行镀膜。浸渍提拉法是待镀基片浸入溶胶中，将浸渍后的基片以一定速度慢慢提拉起来，在基体表面形成一层均匀的液膜，重复多次可以形成一定厚度的薄膜。提拉成膜后，将样品放入烘箱热处理，在60℃下干燥12h，蒸发残留在膜表面的溶剂，使薄膜坚硬老化。然后进行电晕极化，将薄膜加温至玻璃化转变温度附近，加上8KV的直流电压，通过控制温控仪保持预定温度30min后，逐渐降至室温，在降温期间仍保持极化电场，最后撤去电场。

当光从激光光源1发出后，经过微纳光纤6时，有一大部分能量以倏逝场的形式进行传输，大大增强了光场与外界物质相互作用。当电场作用于电光聚合物4时，其折射率发生变化，即微纳光纤6周围环境的折射率发生变化，微纳光纤周围的倏逝场比例发生改变，改变光纤中传输光波的输出特性，最终导致光电探测器5测到的光强发生变化。

测试过程中，将基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器固定在支撑架上以保证连接光纤不发生抖动。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (2)

1.一种基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器，其特征在于：所述电场传感器包括激光光源、中段拉伸为微纳光纤的单模光纤、电光聚合物和光电探测器；所述的激光光源连接中段拉伸为微纳光纤的单模光纤，单模光纤的另一端连接光电探测器，电光聚合物涂覆在中段拉伸为微纳光纤的单模光纤中的微纳光纤上，并对电光聚合物进行极化；

所述电光聚合物的制备、涂覆和极化的步骤包括：

(1)将极性生色团分子通过有机溶剂溶解的方式掺杂到非定性聚合物中，制成电光聚合物溶液；

(2)将单模光纤微纳光纤部分固定在玻璃基片上，使用浸渍提拉法在基片以及微纳光纤上涂覆电光聚合物；

(3)在90-100℃的温度下将制备的电光聚合物预热30分钟，随后使用3-12kV的极化电场对电光聚合物进行极化，最优极化时间为30分钟，极化完成后在保持极化电场的情况下使电光聚合物降至室温。

2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤倏逝场及电光聚合物的电场传感器，其特征在于：所述中段拉伸为微纳光纤的单模光纤是在拉锥机上完成，将光纤置于拉锥机夹具上，点火熔融后，夹具拉伸熔融部位为直径1-10um、长度1-5cm的微纳光纤。

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