CN108801851A - 一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器 - Google Patents

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周权
曹涵
赵玉浩
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Abstract

本发明揭示了一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，该液相浓度传感器包括：波长可调谐窄带光源、微纳光纤、薄壁柱对称微腔、光电探测器和反馈控制单元，波长可调谐窄带光源、微纳光纤、光电探测器相互之间通过光纤熔融耦合连接，反馈控制单元分别与光电探测器和波长可调谐窄带光源电性连接，微纳光纤与薄壁柱对称微腔相互垂直进行耦合并激发高Q值回音壁模式共振谱，微纳光纤与薄壁柱对称微腔的中轴线保持异面垂直。本发明利用薄壁柱对称微腔作为传感单元与微量液相通道，结合回音壁模式共振效应以及微流控技术，加强光场与液相样品相互作用强度与时间，实现对液相浓度的高灵度、快速检测。

Description

一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器
技术领域
本发明涉及一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，可用于传感器技术领域。
背景技术
液相浓度微量检测技术对于现代工业、农业、医学等领域的研究与发展具有重要的科学意义。其中，以水体盐度为代表的浓度精确检测技术，在海洋渔业及其他水产养殖业、自然环境的监测与治理、海洋学和地球气候的研究及预测、矿产的探测、工业生产以及军事应用等方面，都具有十分重要的意义。
目前常见的盐度测量方法包括：电导率法、折射率法、微波遥感技术和表面等离子共振法等。其中电导率法需要同时测量电导率值、温度及深度，从而推导出海水的盐度值；折射率法需要标定盐度与对应折射率来推算海水盐度；微波遥感技术只能对几毫米的海水表面进行测量；而表面等离子共振法测量系统结构复杂、成本费用较高。随着微纳加工技术的发展，微纳光学器件成为重要的光子学传感方法。微纳光纤作为一种典型的一维微纳光波导，具有低传输损耗、强场约束能力、大比例倏逝场、可灵活操作等特性，在构建小型化、高灵敏度传感器方面具有独特的优势。浙江大学提出了将微流控芯片检测通道与双锥形微纳光纤平行、垂直集成的检测结构。利用微纳光纤倏逝场激发荧光并收集荧光，实现了nL量级低耗样量、高灵敏度的浓度检测，检测精可达得7×10-4RIU。然而，该方法在重复性、稳定性以及测量速度方面仍需要提升。
特别地，高品质因子微腔相比于其他微纳光纤器件，具有稳定性高、结构紧凑、制备简单、光与物质互作用时间与强度更强等优势，在高灵敏度传感领域和微量测量领域有很好的应用前景。如何结合微流控技术实现对液相浓度的微量、高灵敏度检测具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，包括波长可调谐窄带光源、微纳光纤、薄壁柱对称微腔、光电探测器和反馈控制单元，所述波长可调谐窄带光源、微纳光纤、光电探测器相互之间通过光纤熔融耦合连接，所述反馈控制单元分别与光电探测器和波长可调谐窄带光源电性连接，所述微纳光纤与薄壁柱对称微腔相互垂直耦合并激发高Q值回音壁模式共振，微纳光纤与薄壁柱对称微腔的中轴线保持异面垂直，入射光从微纳光纤的端进入微纳光纤锥区，通过倏逝场耦合进入薄壁柱对称微腔，在回音壁模式共振效应作用下加强光场与液相样品相互作用强度与时间，所述反馈控制单元通过电性连接控制可调谐窄带光源的输出波长λ和强度I1，同时还控制光电探测器检测经过微腔之后微纳光纤另一输出端的光强度I2，实时反馈和记录在不同波长λ处I1-I2的数值大小，即回音壁模式共振谱。
优选地，所述窄带光源的波长为可调谐。
优选地，回音壁模式共振谱会随着腔内液相材料的浓度发生漂移，即产生Δλ。
优选地，所述微纳光纤是由单模光纤经过拉锥机熔融拉锥制成。
优选地，所述薄壁柱对称微腔为高对称的中空圆柱型结构。
优选地，所述薄壁柱对称微腔由石英毛细管拉锥而成。
优选地，只有满足回音壁模式共振条件的谐振波长才能够在薄壁柱对称微腔内产生谐振，满足回音壁模式共振条件的谐振波长λ由下式决定：
λ＝2πrneff/m
其中r是薄壁柱对称微腔半径，neff是光学谐振模式经过的有效折射率，m是整数。
优选地，光波在薄壁柱对称微腔中的谐振循环周期由薄壁柱对称微腔的品质因子Q决定，有效作用长度Leff和品质因子Q关系由下式给定：
Leff＝Qλ/2πneff。
优选地，所述回音壁模共振谱中包含一个或多个光学模式的透射峰。
优选地，所述薄壁柱对称微腔还为一具有全光纤密闭、抗干扰的液相溶液通道，分析物通道与探测通道分开，该薄壁柱对称微腔通入分析物，在光路中实现探测。
本发明技术方案的优点主要体现在：本发明利用薄壁柱对称微腔作为传感单元与微量液相通道，结合回音壁模式共振效应以及微流控技术，加强光场与液相样品互作用强度与时间，实现对液相浓度的高灵度、快速检测。由于薄壁柱对称微腔具有体积小、高对称性、高洁净度、高耦合效率、其构造的液相浓度传感器具有高灵敏度、微量化、检测速度快、重复性高、环境免疫力强等优点。本发明在工业生产、医学医疗、自然环境的监测与治理、海洋学和地球气候的研究及预测、矿产的探测、工业生产以及军事应用等方面，都具有十分重要的意义。
附图说明
图1为本发明的一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器的结构示意图。
图2为本发明的薄壁柱对称微腔传感器显微镜实物照片图。
图3为本发明的薄壁柱对称微腔传感单元横截面示意图以及倏逝光场在微腔和锥形光纤之间耦合传输示意图。
图4为本发明薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器的回音壁模共振谱的时间稳定性测量结果。
图5为本发明薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器的回音壁模共振谱的时间稳定性测量结果。
图6为本发明的薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器回音壁模式共振谱随腔内液相样品的盐浓度改变而产生波长漂移的测量结果示意图。
图7为本发明的薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器回音壁模式共振谱随腔内液相样品的盐浓度改变而产生波长漂移的测量结果示意图。
图8为本发明的薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器回音壁模式共振谱波长漂移量与盐度变化量的斜率关系图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，如图1所示，该液相浓度传感器包括波长可调谐窄带光源1、微纳光纤2、薄壁柱对称微腔3、光电探测器4和反馈控制单元5。所述波长可调谐窄带光源1、微纳光纤2、光电探测器4相互之间通过光纤熔融耦合连接，所述反馈控制单元5分别与光电探测器4和波长可调谐窄带光源1电性连接，所述反馈控制单元同时接收波长可调谐窄带光源的原始信号和经过传感器之后的信号，所述窄带光源的波长为可调谐，该窄带光源的波长不是固定为一个波长，而是波长可以变化，所述波长可调谐窄带光源的波长为1550nm，在本技术方案中，所述波长可调谐窄带光源为可调谐激光器。
所述微纳光纤与薄壁柱对称微腔相互垂直进行耦合并激发高Q值回音壁模式共振谱，所述薄壁柱对称微腔为高对称的中空圆柱型结构，所述薄壁柱对称微腔具有高对称性、高洁净度的特点。所述微纳光纤与薄壁柱对称微腔的中轴线保持异面垂直，入射光从微纳光纤的一端进入微纳光纤锥区，微纳光纤锥区的光纤直径比较小，光场以倏逝场方式泄露出来在与微腔接触的位置耦合进入微腔中。光场在微腔内由于全反射效应形成回音壁模式共振效应，加强光场与液相样品相互作用强度与时间，实现对液相浓度的高灵敏度、快速检测。所述反馈控制单元通过电性连接控制可调谐窄带光源的输出波长λ和强度I1，同时还控制光电探测器检测经过微腔之后微纳光纤另一输出端的光强度I2，实时反馈和记录在不同波长λ处I1-I2的数值大小，即回音壁模式共振谱，该回音壁模式共振谱会随着腔内液相材料的浓度发生漂移，即产生Δλ。
图2为本技术方案薄壁柱对称微腔传感单元的显微镜实物照片，所述微纳光纤是由单模光纤经过拉锥机熔融拉锥制成，微纳光纤锥区直径尺寸与微腔的壁厚相互匹配，满足回音壁模式共振条件才能激发回音壁模式，在本技术方案中，所述微纳光纤为锥形光纤，所述锥形光纤的锥区半径优选为2～3μm。所述薄壁柱对称微腔由石英毛细管拉锥而成，所述薄壁柱对称微腔的外径为80～100μm，壁厚为2～3μm，在实际应用中壁厚度越薄，灵敏度越高，在本技术方案中，圆柱耦合区域外径约90μm，壁厚约为2μm。通过调节使得微纳光纤与薄壁柱对称微腔垂直耦合，达到如图2所示的状态，即微纳光纤搭靠在薄壁柱对称微腔上，两者中轴线保持异面垂直，这样能使耦合效率更高，进入腔内的光场强度更大，回音壁模共振谱的透射峰更深、更明显。
图3为本技术方案的薄壁柱对称微腔传感单元横截面示意图以及倏逝光场在微腔和锥形光纤之间耦合传输示意图，其中：1代表回音壁模式光强度分布，2为薄壁柱对称微腔，3为锥形光纤，从图中可以直观看出，微纳光纤锥区中光场经倏逝场耦合到具有高对称性的圆柱型薄壁柱对称微腔内，且大部分回音壁模式光强分布于靠近通有液相被测物体的微腔内壁表面区域。
利用微流控技术将具有一定盐度的液相被测物通入具有微米量级内径的薄壁柱对称微腔内。不同盐度的样品，其折射率也不同。回音壁模共振谱中包含一个或多个光学模式的透射峰，会因为薄壁柱对称微腔内部折射率变化而对不同盐度的微量样品会产生不同程度的谱偏移。其共振谱通过对单个模式透射峰波长的变化或者多个模式间的相对变化就可以对液相样品盐浓度进行检测。薄壁柱对称微腔内光场大量分布在微腔与液相样品接触的表面附近，并且具有小的模式体积，因此光与物质的互作用强度高、互作用时间长，且薄壁柱对称微腔作为承载液相样品的微量通道，其整个传感互作用过程与外界环境隔绝，结合快速响应的光学探测方式可以实现灵敏度高、稳定性高、重复性高、快速的传感测量。
不是所有的光都能在里面传输，只有满足谐振条件的特定光波长能够在腔表面形成回音壁模式共振，并在薄壁柱对称微腔内以一定的光子寿命时间进行多次环绕。满足回音壁模式共振条件的谐振波长λ由下式给定：
λ＝2πrneff/m
其中r是薄壁柱对称微腔半径，neff是光学谐振模式经过的有效折射率，m是整数。
薄壁柱对称微腔与直波导传感相比，分析物之间的相互作用不再受限于波导长度，而是光波在微腔中的谐振循环周期。光波在薄壁柱对称微腔中的谐振循环周期由薄壁柱对称微腔的品质因子Q决定，有效作用长度Leff和品质因子Q关系由下式给定：
Leff＝Qλ/2πneff。
以本技术方案实施例采用的薄壁柱对称微腔和激光光源波长为例，薄壁柱对称微腔的品质因子Q为106，有效折射率neff为1.45，波长λ为1550nm时，有效作用长度Leff为17cm，上式说明有效作用长度可以得到cm级别，这对于光学传感器件来说是一个比较长的有效作用长度。
图4和图5为40min内回音壁模共振谱的稳定性测试结果示意图，图4横坐标为波长，纵坐标为传输效率，图5中横坐标为波长，纵坐标为传输效率。整个传感器具有相对稳定的机械结构，并且置于气浮式光学平台上进行传感测试。采用微流控技术通入盐溶液后，每隔10min记录一次共振谱以比较判断回音壁模式共振谱的稳定性。图4显示出不同测试时间回音壁模式共振谱基本重合，对其横坐标范围进行放大后得到图5，共振谱的波动范围也仅为1pm，相比于盐度检测时达到几十pm的偏移量，可以忽略不计，说明该盐度传感器的结构较为稳定。
图6是利用本技术方案对不同盐度的液相样品的检测结果，测量样品量每次为2μL，微腔内回音壁模式共振谱会随着腔内样品盐度变化而产生偏移，盐浓度分别为2.6％、2.8％、3.0％、3.2％和3.4％，对应盐度即26、28、30、32、34，从图6我们可以看出随着样品盐度的增大，回音壁模共振峰会红移，且红移现象明显。图7为其中一组回音壁模式共振峰随盐度变化的漂移，当盐度从26增加到34时，共振峰漂移了35pm左右，可以估算出该盐度传感器对该微量液相样品的盐度检测灵敏度可以达到43.75pm/％。
图8为本技术方案的盐度检测灵敏度实验结果，通过对回音壁模式共振谱的透射峰随盐度变化而改变的偏移量做线性拟合，可以得到，两者基本成线性关系，盐度在26到34的范围内，拟合得到的线性函数为y＝44.07x-2.26，即盐度传感器的灵敏度可达到44.07pm/％。
所述薄壁柱对称微腔在传感过程中除了提供回音壁模式共振效应之外，还为一具有全光纤密闭、抗干扰、微量体积的液相溶液通道，分析物通道与探测通道分开，该薄壁柱对称微腔通入分析物，在光路中实现探测。该液相溶液通道可隔绝部分外界不确定因素的影响，提高了系统稳定性和重复性，结合微流控技术实现了微量探测。
该传感器利用薄壁柱对称微腔-锥形光纤耦合单元实现对液相进样的浓度检测，入射光从锥形光纤的一端进入锥区，以倏逝光场形式耦合进入薄壁柱对称微腔，在回音壁模式共振效应作用下加强光场与液相样品相互作用强度与时间，结合微流控技术，实现对液相浓度的高灵敏度、微量检测。该传感器采用高对称性、高洁净度、高耦合效率、全光纤的薄壁柱对称微腔作为传感单元，具有高灵敏度、微量化、检测速度快、重复性高、环境免疫力强等特点。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，其特征在于：包括波长可调谐窄带光源、微纳光纤、薄壁柱对称微腔、光电探测器和反馈控制单元，所述波长可调谐窄带光源、微纳光纤、光电探测器相互之间通过光纤熔融耦合连接，所述反馈控制单元分别与光电探测器和波长可调谐窄带光源电性连接，所述微纳光纤与薄壁柱对称微腔相互垂直耦合并激发高Q值回音壁模式共振，微纳光纤与薄壁柱对称微腔的中轴线保持异面垂直，入射光从微纳光纤的一端进入微纳光纤锥区，通过倏逝场耦合进入薄壁柱对称微腔，在回音壁模式共振效应作用下加强光场与液相样品相互作用强度与时间，所述反馈控制单元通过电性连接控制可调谐窄带光源的输出波长λ和强度I1，同时还控制光电探测器检测经过微腔之后微纳光纤另一输出端的光强度I2，实时反馈和记录在不同波长λ处I1-I2的数值大小，即回音壁模式共振谱。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，其特征在于：所述窄带光源的波长为可调谐。
3.根据权利要求1所述的一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，其特征在于：回音壁模式共振谱会随着腔内液相材料的浓度发生漂移，即产生Δλ。
4.根据权利要求1所述的一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，其特征在于：所述微纳光纤是由单模光纤经过拉锥机熔融拉锥制成。
5.根据权利要求1所述的一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，其特征在于：所述薄壁柱对称微腔为高对称的中空圆柱型结构。
6.根据权利要求1所述的一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，其特征在于：所述薄壁柱对称微腔由石英毛细管拉锥而成。
7.根据权利要求1所述的一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，其特征在于：只有满足回音壁模式共振条件的谐振波长才能够在薄壁柱对称微腔内产生谐振，满足回音壁模式共振条件的谐振波长λ由下式决定：
λ＝2πrneff/m
其中r是薄壁柱对称微腔半径，neff是光学谐振模式经过的有效折射率，m是整数。
8.根据权利要求1所述的一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，其特征在于：光波在薄壁柱对称微腔中的谐振循环周期由薄壁柱对称微腔的品质因子Q决定，有效作用长度Leff和品质因子Q关系由下式给定：
Leff＝Qλ/2πneff。
9.根据权利要求1所述的一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，其特征在于：所述回音壁模共振谱中包含一个或多个光学模式的透射峰。
10.根据权利要求1所述的一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，其特征在于：所述薄壁柱对称微腔还为一具有全光纤密闭、抗干扰的液相溶液通道，分析物通道与探测通道分开，该薄壁柱对称微腔通入分析物，在光路中实现探测。
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