CN107917899A - 多芯光纤马赫曾德液体传感器 - Google Patents

多芯光纤马赫曾德液体传感器 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种多芯光纤马赫曾德液体传感器，包括多芯光纤、波导结构、第一导光结构和第二导光结构。所述多芯光纤包括第一光纤芯和第二光纤芯并具有一端面。所述第一光纤芯和所述第二光纤芯从所述端面露出。所述波导结构包括波导主体以及设置于所述波导主体两端的光输入部和光输出部。所述光输入部和所述光输出部设置于所述端面。所述波导主体与所述端面间隔设置。所述第一导光结构设置于所述端面并与所述第一光纤芯和所述光输入部连接，用于将所述第一光纤芯的光输入所述光输入部。所述第二导光结构设置于所述端面并与所述第二光纤芯和所述光输出端连接，用于将所述光输出部输出的光输入所述第二光纤芯。

Description

多芯光纤马赫曾德液体传感器
技术领域
本申请涉及光学领域，尤其涉及一种多芯光纤马赫曾德液体传感器。
背景技术
马赫曾德干涉仪是用分振幅法产生双光束干涉的仪器。其原理为，光波被分光元件分成两路，分别经过不同路径后再次合并、干涉。当其中一路光波所处环境的折射率发生变化，另一路光波所处环境保持不变时，两路光波干涉光谱会相应发生变化。马赫曾德干涉仪干涉光谱对外界这种敏感性构成了其作为折射率传感器的基础。马赫曾德干涉仪的光路拓扑具有很强的适应性，可以有多重多样的实现形式，因此被广泛用于各种构型的传感器件的设计与开发。然而，传统的马赫增得干涉仪体积庞大，生产成本高，不便于携带，难以适用于空间狭小、有毒有害等环境下的检测。
发明内容
有鉴于此，提供一种体积小、可集成、携带方便的马赫曾德液体传感器实为必要。
一种多芯光纤马赫曾德液体传感器，包括：
多芯光纤，包括第一光纤芯和第二光纤芯并具有一端面，所述第一光纤芯和所述第二光纤芯从所述端面露出；
波导结构，包括波导主体以及设置于所述波导主体两端的光输入部和光输出部，所述光输入部和所述光输出部设置于所述端面，且所述波导主体与所述端面间隔设置；
第一导光结构，设置于所述端面并与所述第一光纤芯和所述光输入部连接，用于将所述第一光纤芯的光输入所述光输入部；
第二导光结构，设置于所述端面并与所述第二光纤芯和所述光输出端连接，用于将所述光输出部输出的光输入所述第二光纤芯。
在一个实施例中，所述波导主体、所述光输入部、所述光输出部与所述端面共同包围形成两端开口的微流通道。
在一个实施例中，所述波导结构、所述第一导光结构和所述第二导光结构一体成型获得。
在一个实施例中，所述波导结构、所述第一导光结构和所述第二导光结构位于所述微流通道之外的表面涂覆有反射层。
在一个实施例中，所述反射层包括重叠设置的铬层和金层。
在一个实施例中，所述铬层的厚度为3纳米至15纳米，所述金层的厚度为200纳米至300纳米。
在一个实施例中，所述第一导光结构为三棱全反射镜，其包括：
第一入光面，将所述第一光纤芯在所述端面的表面覆盖；
第一主体反光面，将从所述第一入光面进入的光反射进入所述波导主体；
第一通道反光面，将从所述第一入光面进入的光反射进入所述微流通道；以及第一出光面，与所述光输入部连接。
在一个实施例中，所述第一主体反光面与所述端面的夹角小于所述第一通道反光面与所述端面的夹角。
在一个实施例中，所述第二导光结构为三棱全反射镜，其包括：
第二入光面，与所述光输出部连接，所述波导主体的光通过所述第二入光面进入所述第二导光结构，所述微流通道的光通过所述第二入光面进入所述第二导光结构；
第二主体反光面，将所述波导主体的光反射进入所述第二光纤芯；
第二通道反光面，将所述微流通道的光反射进入所述第二光纤芯；
第二出光面，将所述第二光纤芯在所述端面的表面覆盖。
在一个实施例中，所述第二主体反光面与所述端面的夹角小于所述第二通道反光面与所述端面的夹角。
本申请实施例提供的具有良好性能的多芯光纤马赫曾德液体传感器，该多芯光纤马赫曾德液体传感器采用多芯光纤作为基底，可实现远程、实时马赫曾德干涉光谱的传感检测。该多芯光纤马赫曾德液体传感器具有体积小、携带方便、抗干扰能力强等诸多优势，可适用于检测空间狭小，被检测物难以接近、检测环境有毒有害等极端情况下的传感检测。
附图说明
图1是本申请一个实施例的多芯光纤马赫曾德液体传感器的结构示意图；
图2是本申请一个实施例的多芯光纤马赫曾德液体传感器的局部放大示意图；
图3是本申请一个实施例的多芯光纤马赫曾德液体传感器的波导结构的剖面图；
图4是本申请一个实施例的多芯光纤马赫曾德液体传感器的波导结构的剖面图；
图5是本申请一个实施例的多芯光纤马赫曾德液体传感器的波导结构的扫描电镜照片；
图6是本申请一个实施例的多芯光纤马赫曾德液体传感器测得的不同折射率溶液的干涉光谱。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本申请的技术方案做进一步的详细描述。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本申请的多芯光纤马赫曾德液体传感器进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参见图1-3，本申请实施例提供一种多芯光纤马赫曾德液体传感器10。所述多芯光纤马赫曾德液体传感器10包括多芯光纤110、波导结构120、第一导光结构130和第二导光结构140。
所述多芯光纤110可以为至少两个光纤芯并列形成，或者也可以是多个光纤芯并列形成。可以理解，所述多芯光纤110中的光纤芯的数量不限。所述多芯光纤110可以切割从而形成一个端面112。所述光纤芯从所述端面112露出。在一个实施例中，所述多芯光纤110包括第一光纤芯113和第二光纤芯115。所述第一光纤芯113和所述第二光纤芯115可以平行间隔设置，从而在所述端面112露出的部分相互间隔设置。可以理解，所述第一光纤芯113和所述第二光纤芯115是所述多芯光纤110的多个光纤芯中的任意两个光纤芯。在一个实施例中，所述多芯光纤110为七芯光纤，包括7根平行间隔设置的光纤芯。
所述波导结构120包括波导主体122以及设置于所述波导主体122两端的光输入部123和光输出部125。所述光输入部123和所述光输出部125设置于所述端面112。且所述波导主体122与所述端面112间隔设置。所述波导主体122与所述端面112间隔设置，从而在所述波导主体122与所述端面112之间形成一个光传导的空间。从所述光输入部123进入的光分成两束，分别进入所述波导主体122和所述波导主体122与所述端面112之间空间。上述两束光由所述波导主体122和所述波导主体122与所述端面112之间的空间进入所述光输出部125。可以理解，所述波导主体122与所述光输入部123和所述光输出部125可以一体成型形成。在一个实施例中，所述光输入部123和所述光输出部125相对间隔设置于所述端面112，并且所述波导主体122的两端分别与所述光输入部123和所述光输出部125的顶部连接。所述光输入部123的底部和所述光输出部125的底部相互间隔设置，并且与所述波导主体122和所述端面112共同包围形成一个空间，可以用于收纳待检测的液体。
所述第一导光结构130设置于所述端面112并与所述第一光纤芯113和所述光输入部123连接，用于将所述第一光纤芯113的光输入所述光输入部123。所述第一导光结构130具有一个入光面覆盖所述第一光纤芯113在所述端面112露出的部分，从而可以将所述第一光纤芯113的光导入。光可以从所述第一光纤芯113导入所述第一导光结构130，然后通过所述第一导光结构130导入所述光输入部123。所述光输入部123的光一部分进入所述波导主体122，一部分进入所述波导主体122与所述端面112之间的空间。
所述第二导光结构140设置于所述端面112并与所述第二光纤芯115和所述光输出部125连接，用于将光输入所述第二光纤芯115。所述第二导光结构140用于将所述光输出部125的光导入所述第二光纤芯115。具体地，所述波导主体122的光和所述波导主体122与所述端面112之间的空间的光通过所述光输出部125进入所述第二导光结构140，从而通过所述第二导光结构140进入所述第二光纤芯115。
当所述波导主体122与所述端面112之间的空间存储有待测液体时。由于所述波导主体122的折射率和所述待测液体的折射率不同，光通过所述第一导光结构130进入所述光输入部123后，会分成两束分别经过所述波导主体122和所述待测液体，从而会产生光程差。上述两束光通过所述光输出部125进入所述第一导光结构130时会产生干涉光谱，最后所述第二光纤芯113将所述干涉光谱输出到外部分析设备如光谱仪，便可以得到所待测液体的马赫增得干涉光谱，从而可以实现对所述待测液体的感测。所述多芯光纤马赫曾德液体传感器10，包括设置在所述多芯光纤110的端面112的所述波导结构120。所述多芯光纤110的直径较小，并且容易进入狭小空间。所述多芯光纤马赫曾德液体传感器10可实现远程、实时马赫增德干涉光谱的传感检测。该液体折射率传感器具有体积小、携带方便、抗干扰能力强等诸多优势，可适用于检测空间狭小，被检测物难以接近、检测环境有毒有害等极端情况下的传感检测。
在一个实施例中，所述波导主体122、所述光输入部123、所述光输出部125与所述端面112共同包围形成两端开口的微流通道127。所述微流通道127用于存储待测液体。所述光输入部123的光分成两束，一束进入所述波导主体122，另一束进入所述微流通道127。进入所述微流通道127的光束进入所述光输出部125后输出。进入所述波导主体122的光束进入所述光输出部125后输出。可以理解，所述微流通道127的形状不限，只要能够形成沿着所述波导主体122衍射的光通道即可。在一个实施例中，所述微流通道127为矩形。
在一个实施例中，所述波导结构120、所述第一导光结构130和所述第二导光结构140可以一体成型获得。所述波导结构120、所述第一导光结构130和所述第二导光结构140由相同的材料制成。在一个实施例中，所述波导结构120、所述第一导光结构130和所述第二导光结构140可以为光刻胶制成。请一并参见图4，在一个实施例中，所述波导结构120、所述第一导光结构130和所述第二导光结构140位于所述微流通道127之外的表面还涂覆有反射层160。所述反射层160可以为金属材料制成，所述反射层160可以包括重叠设置的铬层162和金层161。所述铬层162的厚度为3纳米至15纳米。所述金层161的厚度为200纳米至300纳米。
在一个实施例中，所述第一导光结构130为三棱全反射镜，其包括第一入光面133、第一主体反光面131、第一通道反光面132以及第一出光面135。所述第一入光面133将所述第一光纤芯113在所述端面112的表面覆盖。所述第一主体反光面131将从所述第一入光面133进入的光反射进入所述波导主体122。所述第一通道反光面132将从所述第一入光面133进入的光反射进入所述微流通道127。所述第一出光面135与所述光输入部123连接。所述第一入光面133与所述第一光纤芯113在所述端面112露出的表面贴合，从而所述第一光纤芯113可以将光通过所述第一入光面133输入所述第一导光结构130。输入所述第一导光结构130的光可以通过所述第一主体反光面131和所述第一通道反光面132反射，从而形成两束光。所述两束光通过所述第一出光面135进入所述光输入部123，其中一束直接进入所述波导主体122，另外一束进入所述波导主体122与所述端面112之间的所述微流通道127。
在一个实施例中，所述第一主体反光面131与所述端面112的夹角小于所述第一通道反光面132与所述端面112的夹角。在一个实施例中，所述第一主体反光面131与所述端面112的夹角为40.6°，所述第一通道反光面132与所述端面112的夹角为48.8°。
在一个实施例中，所述第二导光结构140为三棱全反射镜，其包括第二入光面143、第二主体反光面141、第二通道反光面142和第二出光面145。所述第二入光面143与所述光输出部125连接。所述波导主体122的光通过所述第二入光面143进入所述第二导光结构140。所述微流通道127的光通过所述第二入光面143进入所述第二导光结构140。所述第二主体反光面141将所述波导主体122传输的光反射进入所述第二光纤芯115。所述第二通道反光面142将所述微流通道127传输的光反射进入所述第二光纤芯115。所述第二出光面145将所述第二光纤芯115在所述端面112的表面覆盖。
在一个实施例中，所述第二主体反光面141与所述端面112的夹角小于所述第二通道反光面142与所述端面112的夹角。在一个实施例中，所述第二主体反光面141与所述端面112的夹角为40.6°，所述第二通道反光面142与所述端面112的夹角为48.8°。
在一个实施例中，所述多芯光纤110为7芯光纤，具有7个光纤芯。所述多芯光纤110的直径为125微米。所述波导结构120的长度为28微米、宽度为7微米、高度为7微米。所述波导主体122的底面到所述端面112的距离为4微米。所述微流通道127的高度为4微米，长度为15微米。所述波导结构120的形状可以为梯台，所述微流通道127可以为从所述梯台的底部切除一个小体积的梯台形成。所述第一导光结构130、所述第二导光结构140和所述波导结构120可以由具有相同折射率的材料一体成型构成。
在一个实施例中，所述多芯光纤110的端面112可以设置多个所述波导结构120、多个所述第一导光结构130和多个所述第二导光结构140。图5是本申请一个实施例的具有多个波导结构的多芯光纤马赫曾德液体传感器的扫描电镜照片。可以理解，通过设置多个波导结构120可以增强感测的灵敏度。
本申请的实施例中可采用水和酒精按不同的体积比配成折射率不同的溶液对该多芯光纤马赫曾德液体传感器10进行马赫曾德干涉光谱的测量。其工作过程如下所述：
将该多芯光纤马赫曾德液体传感器10放置于待测液体中。所述待测液体充入到所述波导主体122与所述端面112间隔中。激光通过所述第一光纤芯113输入到所述第一导光结构130中，然后经过所述第一导光结构130分成两束激光。所述两束激光分别进入到所述波导主体122和所述波导主体122与所述端面112间隔中的所述待测液体。由于所述波导主体122与所述待测液体的折射率不同，经过所述波导主体122的激光和经过所述待测液体的激光会产生光程差。上述两束光进入所述第二导光结构140后，输入所述第二光纤芯115。上述具有光程差的两束激光通过所述第二光纤芯115输出到外部分析设备，便可以得到所述待测液体的马赫增得干涉光谱。
如上，本申请实施例的所述多芯光纤马赫曾德液体传感器10，为探针式液体折射率传感器，其采用多芯光纤作为基底的优点在于：体积小、重量轻、可以进行实时监测、并且所需的检测量小、灵敏度高、对检测样品友好，属于无损检测。
进一步地，本申请还提供所述多芯光纤马赫曾德液体传感器10的制备方法，包括如下步骤：
S100，提供多芯光纤110，并对所述多芯光纤110的端面112进行切割处理。
具体地，可以采用光纤切割机对所述多芯光纤110进行切割，从而可以而获得具有比较平整端面112的多芯光纤110。
其中，所述多芯光纤110可选择各种类型的多模光纤，本申请实施例的所述多芯光纤110可以为七芯光纤，直径为125微米。
S200，在所述多芯光纤110的所述端面112沉积光刻胶，并将所述光刻胶刻蚀以获得所述波导结构120、所述第一导光结构130和所述第二导光结构140。
具体地，可以利用3D光刻机在所述端面112写出所述波导结构120、所述第一导光结构130和所述第二导光结构140并进行显影及定影。写光刻胶时，可以采用的是飞秒激光双光子聚合3D光刻技术。
具体地，本申请实施例采用的入射光的波长为400纳米到1000纳米，写出的光刻胶波导的长度为28微米宽度7微米高度7微米。写出的全反射棱镜靠近底面的部分与光纤端面的夹角为48.8°，远离底面的部分与多芯光纤的端面的夹角为40.6°。该步骤中波导结构下表面与进入到波导结构与多芯光纤的端面之间的空隙中的待测液体相互作用。
S300，对所述波导结构120、所述第一导光结构130和所述第二导光结构140镀膜。
所述步骤S300可以采用蒸镀设备进行镀膜，通过蒸镀设备在所述波导结构120、所述第一导光结构130和所述第二导光结构140的表面上由内到外依次镀上5纳米厚的铬、250纳米厚的金膜。
图6是本申请实施例的多芯光纤马赫曾德液体传感器测得的不同折射率溶液的干涉光谱。如图6所示，由上到下，分别是酒精含量为10％到100％的水溶液测得的干涉光谱。对比所有的曲线，可看出当测试的液体折射率变化为0.0305时，峰位的变化为66纳米，可知由本申请实施例的多芯光纤马赫曾德液体传感器的灵敏度为2164nm/RIU。可证明通过本申请实施例的方法制备的多芯光纤马赫曾德液体传感器可以较灵敏的测出不同种类的液体。
如上所述，本申请实施例的方法可制备出具有良好性能的多芯光纤马赫曾德液体传感器，可实现远程、实时的液体折射率的检测。该多芯光纤马赫曾德液体传感器具有体积小、携带方便、抗干扰能力强等诸多优势，可适用于检测空间狭小，被检测物难以接近、检测环境恶劣等环境下的传感检测。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是。以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在办发明的保护范围之内。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本申请说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多芯光纤马赫曾德液体传感器，包括：
多芯光纤，包括第一光纤芯和第二光纤芯并具有一端面，所述第一光纤芯和所述第二光纤芯从所述端面露出；
波导结构，包括波导主体以及设置于所述波导主体两端的光输入部和光输出部，所述光输入部和所述光输出部设置于所述端面，且所述波导主体与所述端面间隔设置；
第一导光结构，设置于所述端面并与所述第一光纤芯和所述光输入部连接，用于将所述第一光纤芯的光输入所述光输入部；
第二导光结构，设置于所述端面并与所述第二光纤芯和所述光输出端连接，用于将所述光输出部输出的光输入所述第二光纤芯。
2.如权利要求1所述的多芯光纤马赫曾德液体传感器，其特征在于，所述波导主体、所述光输入部、所述光输出部与所述端面共同包围形成两端开口的微流通道。
3.如权利要求2所述的多芯光纤马赫曾德液体传感器，其特征在于，所述波导结构、所述第一导光结构和所述第二导光结构一体成型获得。
4.如权利要求3所述的多芯光纤马赫曾德液体传感器，其特征在于，所述波导结构、所述第一导光结构和所述第二导光结构位于所述微流通道之外的表面涂覆有反射层。
5.如权利要求4所述的多芯光纤马赫曾德液体传感器，其特征在于，所述反射层包括重叠设置的铬层和金层。
6.如权利要求5所述的多芯光纤马赫曾德液体传感器，其特征在于，所述铬层的厚度为3纳米至15纳米，所述金层的厚度为200纳米至300纳米。
7.如权利要求2所述的多芯光纤马赫曾德液体传感器，其特征在于，所述第一导光结构为三棱全反射镜，其包括：
第一入光面，将所述第一光纤芯在所述端面的表面覆盖；
第一主体反光面，将从所述第一入光面进入的光反射进入所述波导主体；
第一通道反光面，将从所述第一入光面进入的光反射进入所述微流通道；以及
第一出光面，与所述光输入部连接。
8.如权利要求7所述的多芯光纤马赫曾德液体传感器，其特征在于，所述第一主体反光面与所述端面的夹角小于所述第一通道反光面与所述端面的夹角。
9.如权利要求2所述的多芯光纤马赫曾德液体传感器，其特征在于，所述第二导光结构为三棱全反射镜，其包括：
第二入光面，与所述光输出部连接，所述波导主体的光通过所述第二入光面进入所述第二导光结构，所述微流通道的光通过所述第二入光面进入所述第二导光结构；
第二主体反光面，将所述波导主体的光反射进入所述第二光纤芯；
第二通道反光面，将所述微流通道的光反射进入所述第二光纤芯；
第二出光面，将所述第二光纤芯在所述端面的表面覆盖。
10.如权利要求9所述的多芯光纤马赫曾德液体传感器，其特征在于，所述第二主体反光面与所述端面的夹角小于所述第二通道反光面与所述端面的夹角。
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