CN107314977B - 一种微光纤耦合器气体传感器及其制备方法 - Google Patents

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    • G02B6/2552—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding reshaping or reforming of light guides for coupling using thermal heating, e.g. tapering, forming of a lens on light guide ends

Abstract

本发明公开了一种微光纤耦合器气体传感器及其制备方法。该气体传感器包括单根微光纤和单根PMMA微米线，其中，微光纤包括均匀腰区、锥形过渡区、输入端口和输出端口，PMMA微米线附着在微光纤的均匀腰区侧壁上，并且微米线的轴线与均匀腰区的轴线平行。微光纤是由一根普通单模光纤拉制而成，PMMA微米线由粘稠的PMMA苯甲醚溶液直接拉丝而成。由于PMMA对部分气体有很好的吸收作用，引起有效折射率的改变，使得耦合器的谐振波长发生漂移。本发明提出了利用微光纤和其他非石英材料组成传感器的新思路，制备的气体传感器可以实现微量气体的浓度探测功能，在生物化学传感领域有广泛应用前景。本发明的制备方法简单，成品率较高。

Description

一种微光纤耦合器气体传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤的应用领域，具体涉及光纤传感器的研究及其制备，尤其是提供一种基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微米线混合集成的微光纤耦合器气体传感器及其制备方法。
背景技术
气体的检测和测量在环境、生物化学和战争领域一直都是一个重要的任务。除了传统的电子和机械方法,目前出现了越来越多的利用光学方法的技术。随着时代的进步，在过去的30年间，光纤传感技术乃至微纳光纤传感器件逐渐兴起并且大量涌现与发展。光纤气体传感器已经成为一种非常重要的且广泛应用的传感器。它们具有很多其他器件所没有的特点与优势，如抗电磁干扰、灵活轻巧、成本低廉、紧凑小型化、易于集成、方便运输等等。
聚合物是另一种广泛使用的材料。聚合物除了具有的机械灵活、加工简单、成本低等特性，也为气体传感的应用提供一些有吸引力的优势。例如,气体分子可以选择性地吸附到它们的表面或扩散到聚合物基质中,这可能是其他材料，如金属、半导体或石英纤维不能实现的。此外,聚合物可以掺入各种功能的粒子,比如对某种气体具有选择性的物质,能有效地提高设备的性能。
随着微操纵技术的进步与发展，微纳光学近年来取得了很大的进步与提高。如果将微光纤和非石英材料的微纳米线进行功能化集成，使得利用混合耦合器进行微小浓度的气体传感逐渐成为现实。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种新型的基于PMMA微米线混合集成的微光纤耦合器气体传感器，并提供一种制备该传感器的方法。
本发明采用的技术方案是：
一种微光纤耦合器气体传感器，包括单根微光纤和单根PMMA微米线，所述微光纤包括均匀腰区、锥形过渡区、输入端口和输出端口，所述PMMA微米线附着在微光纤的均匀腰区侧壁上，并且微米线的轴线与均匀腰区的轴线平行。
所述均匀腰区的长度为3毫米到5毫米，直径为1微米到2微米。
所述PMMA微米线的直径为1微米到2微米，长度为150微米到200微米。
本发明上述一种微光纤耦合器气体传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将单根普通单模光纤的两端固定在电控平移台上，中间部分用氢氧焰加热；随着电控平移台缓慢向两侧移动，光纤的中间部分被加热逐渐熔化变长变细，得到均匀腰区；
(2)称取100毫克PMMA固体颗粒，完全溶解于2克苯甲醚溶液中，充分搅拌并静置2小时后，制备成粘稠的PMMA苯甲醚溶液；使用光纤探针蘸取少许所述PMMA苯甲醚溶液后直接快速拉出，拉出的细丝置于玻片上静置数分钟，待苯甲醚挥发后形成直径为微米、长度为厘米级的PMMA微米线；
(3)将一根钨探针固定在一台精度为1微米的手动三维位移台上，在显微镜下将步骤(2)制得的PMMA微米线切断，获得一定长度的PMMA微米线；
(4)将所述光纤探针固定在所述手动三维位移台上，在显微镜下将玻片上切好的PMMA微米线挑起，转移到微光纤的均匀腰区侧壁上，由于分子间作用力的存在，两者紧密地附着在一起；所述PMMA微米线的轴线与均匀腰区的轴线平行。
利用上述微光纤耦合器气体传感器的测量方法，具体为：将传感器固定在密封的玻璃腔中，光源产生的光进入微光纤耦合器的输入端口，微光纤耦合器的输出端口连接光谱仪；改变传感器周围的特征气体浓度，由于PMMA微米线对气体有吸收作用，引起有效折射率的改变，使得耦合器的谐振波长发生漂移，通过光谱仪探测波长的移动实现气体的浓度检测。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的气体传感器可以实现微量气体的浓度探测功能，具有极高的气体浓度灵敏度，在生物化学传感领域有广泛应用前景；
(2)本发明还可以采用其他材料的微米线，实现对不同微量气体浓度的传感；
(3)本发明器件基于光纤体系，不需要其他任何光学器件对输出光准直、聚焦到器件上，结构简单，插入损耗小，且制备方便，成品率较高；
(4)本发明的传感器在测量时仅需要一个输入光源，同时作为信号光源和泵浦光源，测试方法简便。
附图说明
图1是本发明微光纤耦合器气体传感器的三维结构示意图，1-微光纤，2-PMMA微米线；
图2是本发明实施例的微光纤耦合器的宽谱输出图；
图3是本发明实施例中的气体传感器在不同浓度丙酮气体下的谐振波长移动的光谱图；
图4本发明实施例中的气体传感器在丙酮气体下的灵敏度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方法，以清楚展现本发明的特点。
图1是本实施例基于PMMA微米线混合集成的微光纤耦合器气体传感器的结构示意图，包括：微光纤1、PMMA微米线2。其中，微光纤1包含一个均匀腰区、两个锥形过渡区、一个输入端口和一个输出端口。PMMA微米线2附着在微光纤1的均匀腰区侧壁上，并且微米线的轴线与均匀腰区的轴线平行。
微光纤1由一根普通单模光纤拉制而成：将直径125微米的普通光纤两端固定在电控平移台上，中间部分用氢氧焰加热。随着电控平移台缓慢向两侧移动，光纤中部被加热区逐渐熔化变长变细，直至最细部分直径达到1微米到2微米，长度为3毫米到5毫米。
PMMA微米线2由粘稠的PMMA苯甲醚溶液直接拉丝而成：称取100毫克PMMA固体颗粒，完全溶解于2克苯甲醚溶液中，充分搅拌并静置约2小时后，制备成粘稠的PMMA苯甲醚溶液。使用一根尖端直径约500纳米的光纤探针，蘸取少许溶液后直接快速拉出。拉出的细丝置于玻片上静置数分钟，待溶剂挥发后形成直径约1微米到2微米、长度数厘米的PMMA微米线。该PMMA微米线表面光滑，直径均匀。
然后，将一根尖端直径约2微米的钨探针固定在一台精度1微米的手动三维位移台上，在显微镜下可以很容易地将PMMA微米线切断。限制于显微镜的视野范围，本实施例中切取长度150微米到200微米的PMMA微米线。将上述光纤探针固定在手动位移台上，在显微镜下将玻片上切好的PMMA微米线挑起，转移到微光纤的腰区侧壁上。由于分子间作用力的存在，两者紧密地附着在一起，PMMA微米线2的轴线与均匀腰区的轴线平行。这样就制备了本实施例的气体传感器。
图2显示了本实施例制备的微光纤耦合器气体传感器的宽谱输出图。每个谷代表耦合器的谐振波长。该耦合器中微光纤腰区的直径为1微米，腰区长度为5毫米；PMMA微米线的直径为1.2微米，长度为175微米。
图3展示了本实施例制备的气体传感器在不同浓度丙酮气体下的谐振波长移动的输出光谱图。测量的具体步骤为：
(1)将气体传感器固定在预留注射通道的密封玻璃腔中；
(2)利用超连续光(1500-1650nm)作为光源，光从耦合器的输入端口经过微光纤耦合器1的锥形过渡区、腰区，由另一端的输出端口输入光谱仪；
(3)利用微流体注射泵向玻璃腔中注射极微量丙酮液体，液体挥发后充满整个腔室；
(4)由于PMMA微米线2对不同浓度的丙酮气体有不同的吸收，有效折射率发生改变，使得谐振波长移动，从而实现对气体浓度的传感检测。
本实施例中，利用的是超连续光(1500-1650nm)作为光源。在不同的丙酮气体浓度下，微光纤耦合器1展现出不同的谐振波长移动。当丙酮气体的浓度越大，有效折射率的改变越大，波长移动越多。
图4是本发明实施例制备的传感器对丙酮气体的灵敏度曲线图。根据图3中各个浓度对应的特征波长的位置绘制而成，可以发现该传感器的特征波长与气体浓度呈线性变化趋势，灵敏度约为0.65pm/ppm。

Claims (8)

1.一种微光纤耦合器气体传感器，包括单根微光纤和单根PMMA微米线，所述微光纤包括均匀腰区、锥形过渡区、输入端口和输出端口，其特征在于，所述PMMA微米线附着在微光纤的均匀腰区侧壁上，并且微米线的轴线与均匀腰区的轴线平行。
2.根据权利要求1所述的一种微光纤耦合器气体传感器，其特征在于，所述均匀腰区的长度为3毫米到5毫米，直径为1微米到2微米。
3.根据权利要求1所述的一种微光纤耦合器气体传感器，其特征在于，所述PMMA微米线的直径为1微米到2微米，长度为150微米到200微米。
4.如权利要求1所述的一种微光纤耦合器气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将单根普通单模光纤的两端固定在电控平移台上，中间部分用氢氧焰加热；随着电控平移台缓慢向两侧移动，光纤的中间部分被加热逐渐熔化变长变细，得到均匀腰区；
(2)称取100毫克PMMA固体颗粒，完全溶解于2克苯甲醚溶液中，充分搅拌并静置2小时后，制备成粘稠的PMMA苯甲醚溶液；使用光纤探针蘸取少许所述PMMA苯甲醚溶液后直接快速拉出，拉出的细丝置于玻片上静置数分钟，待苯甲醚挥发后形成直径为微米、长度为厘米级的PMMA微米线；
(3)将一根钨探针固定在一台精度为1微米的手动三维位移台上，在显微镜下将步骤(2)制得的PMMA微米线切断，获得一定长度的PMMA微米线；
(4)将所述光纤探针固定在所述手动三维位移台上，在显微镜下将玻片上切好的PMMA微米线挑起，转移到微光纤的均匀腰区侧壁上，由于分子间作用力的存在，两者紧密地附着在一起；所述PMMA微米线的轴线与均匀腰区的轴线平行。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，均匀腰区的长度为3毫米到5毫米，直径为1微米到2微米。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，光纤探针的尖端直径为500纳米。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，钨探针的尖端直径为2微米。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，PMMA微米线的长度为150微米到200微米。
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