CN109855760A - 一种回音壁模式谐振腔温度传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种回音壁模式谐振腔温度传感器及制备方法，属于光学领域。本发明的装置为宽带光源依次与偏振控制器、光纤锥、光谱分析仪相连接，空心玻璃微球与光纤锥的锥区相连接，空心玻璃微球内填充温度敏感液体硅油PDMS，空心玻璃微球与单模光纤相连接。本发明的方法为空心玻璃微球开孔，空心玻璃微球内注入温度敏感液体，连接仪器，调整温度敏感液体填充的空心玻璃微球与光纤锥之间的位置。本发明利用温度敏感介质填充空心玻璃微球作为WGM光学谐振腔，并与光纤锥耦合的方法制成高精度的温度传感器，可以实现对温度的精确测量。

Description

一种回音壁模式谐振腔温度传感器及制备方法

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种回音壁模式谐振腔温度传感器及制备方法。

背景技术

深具有高质量(Q)因子和小模式体积的WGMs微腔是一种光学谐振器。WGM微腔通常是具有微米级尺寸，并利用腔体和周围介质的弯曲边界上连续的全内反射捕获光线的介电结构。WGM微腔传感器表现出较高的灵敏度、体积小、成本低和实时监控等独特的优点，使得WGM微腔传感器引起了极大的关注，尤其是在温度传感方向。

温度作为国际单位制七个基本物理量之一，在国民经济、国防建设和科学研究等领域中温度的准确测量具有举足轻重的作用。随着温度传感应用需求的提高，传统的温度传感器已经无法满足高精度的测量要求。光纤温度传感器具有尺寸小、测量精度高、灵敏度高、抗电磁干扰强、电绝缘性好、温度范围大等诸多优点，在温度测量方面有着自身独特的优势。本发明提出了利用用温度敏感介质填充空心玻璃微球作为WGM光学谐振腔，并与光纤锥耦合的方法制成高精度的温度传感器，可以实现对温度的精确测量。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种回音壁模式谐振腔温度传感器及制备方法。

为实现上述目的，一种回音壁模式谐振腔温度传感器及制备方法，内容包括：

一种回音壁模式谐振腔温度传感器，其结构包括宽带光源1、偏振控制器2、光纤锥3、光谱分析仪4、温度敏感液体8、空心玻璃微球9，宽带光源1依次与偏振控制器2、光纤锥3、光谱分析仪4相连接，所述空心玻璃微球9与所述光纤锥3的锥区相连接，空心玻璃微球9内填充温度敏感液体8，空心玻璃微球9与单模光纤11相连接。

所述空心玻璃微球9与所述单模光纤11通过低折射率的紫外固化胶连接，空心玻璃微球腔10与所述光纤锥3通过低折射率的紫外固化胶连接。

所述空心玻璃微球9表面有一个直径为10μm至15μm的微孔，所述光纤锥3的锥区直径为1至2μm，所述空心玻璃微球9的空心玻璃微球腔10直径为60μm至100μm，空心玻璃微球9的壁厚为1μm至2μm。

所述的温度敏感液体8为硅油PDMS，且温度敏感液体8完全充满所述空心玻璃微球9，所述空心玻璃微球9的材料为二氧化硅。

一种回音壁模式谐振腔温度传感器的制备方法，具体步骤为：

步骤1.空心玻璃微球9开孔，将空心玻璃微球9固定在单模光纤11的端面上，铜棒蘸取氢氟酸，利用氢氟酸在空心玻璃微球9表面进行开孔处理；

步骤2.空心玻璃微球9内注入温度敏感液体8，将泵注射器6与毛细管7的一端相连接，毛细管7另一端固定在三维位移台5上，调整三维位移台5将毛细管7从空心玻璃微球9表面微孔伸入空心玻璃微球9的底部，通过控制泵注射器6将温度敏感液体8注入空心玻璃微球9，保证温度敏感液体8完全充满空心玻璃微球9，没有气泡剩余，制备出液体填充空心玻璃微球回音壁谐振腔；

步骤3.仪器连接，宽带光源1发射端通过偏振控制器2与光纤锥3输入端相连，光纤锥3中的光通过倏逝波耦合的方式进入回音壁谐振腔中，谐振腔中的输出光耦合进光纤锥3，经光纤锥3的输出端进入光谱分析仪4；

步骤4.调整温度敏感液体8填充的空心玻璃微球9与光纤锥3之间的位置，当达到高效耦合状态时，滴入紫外固化胶，利用紫外灯的照射使紫外固化胶固化。

所述铜棒尖端直径为5μm，氢氟酸浓度为1％，毛细管外径为8μm，内径为6μm。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种简易可复用的温度传感器及制备方法，利用温度敏感介质填充空心玻璃微球作为WGM光学谐振腔，并与光纤锥耦合的方法制成高精度的温度传感器，可以实现对温度的精确测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的回音壁光学谐振腔温度传感光谱随温度频移图。

图3为本发明回音壁光学谐振腔温度传感频移随温度变化的拟合曲线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

本实施方式所述的液体填充空心玻璃微球的回音壁光学谐振腔的制备包括三维位移调节台(5)、泵注射器(6)、毛细管(7)、温度敏感液体(8)、空心玻璃微球(9)，以及单模光纤(11)。

液体填充空心玻璃微球的制备方法：

1.准备阶段。为了实验操作的方便性，我们需要将空心玻璃微球(9)固定在单模光纤(11)的端面上。首先，空心玻璃微球(9)均匀撒在清洗过后的石英玻璃载玻片上；然后，单模光纤(11)剥去涂覆层的同时用酒精擦拭干净，用光纤切割刀将光纤端面切平。最后，单模光纤(11)切平的一端蘸取少量的紫外固化胶。通过移动三维位移调节台(5)等操作将空心玻璃微球(9)粘到单模光纤(11)端面上。将粘有空心玻璃微球(9)的单模光纤(11)迅速放在紫外灯的照射下使紫外固化胶固化。

2.空心玻璃微球表面开孔阶段。首先，粘有空心玻璃微球(9)的单模光纤(11)被垂直放置。然后，用一根尖端直径为10μm的铜杆垂直向下浸入氢氟酸(1％)溶液中。最后，控制铜杆尖端靠近空心玻璃微球(9)表面，约一分钟后由于氢氟酸的腐蚀作用在空心玻璃微球(9)表面形成一个直径约为15μm的微孔。

3.液体注入空心玻璃微球阶段。首先，取一段长度适当地石英毛细管，一端使用火焰加热拉伸法拉制成直径为9μm的毛细管(7)，并固定在三维位移调节台(5)。然后，毛细管(7)的另一端连接到泵注射器(6)。最后，通过简单的控制泵注射器(6)的状态实现液体注入进空心玻璃微球(9)中。

如图1所示，液体填充空心玻璃微球的回音壁光学谐振腔温度传感器包括宽带光源(1)、偏振控制器(2)、光纤锥(3)、光谱分析仪(4)、液体填充的空心玻璃微球腔(10)，宽带光源(1)发射端通过一个偏振控制器(2)与光纤锥(3)输入端相连，光纤锥(3)中的光通过倏逝波耦合的方式进入液体填充的空心玻璃微球腔(10)中，谐振腔中的输出光耦合进光线锥(3)，经光纤锥(3)的输出端进入光谱分析仪(4)。

利用三维位移调节台(5)调整液体填充的空心玻璃微球腔(9)与光纤锥(3)之间的位置至高效耦合状态，滴入紫外固化胶，利用紫外灯的照射使紫外固化胶固化，在温度传感过程中防止液体填充的空心玻璃微球腔(9)和光纤锥(3)之间发生位移和错位，在温度传感过程中要保证光纤锥与谐振腔始终处于耦合状态，有倏逝波存在于谐振腔内表面；当温度敏感介质随温度变化时,保证谐振腔正常工作。

本发明的一种液体填充空心玻璃微球的回音壁光学谐振腔温度传感器的测量原理为：

温度变化导致温度敏感液体(8)折射率发生变化，从而导致谐振腔的共振波长发生变化，通过光谱分析仪(4)测得的共振波长的移动可以测出环境温度的变化。

Claims (6)

1.一种回音壁模式谐振腔温度传感器，其结构包括宽带光源(1)、偏振控制器(2)、光纤锥(3)、光谱分析仪(4)、温度敏感液体(8)、空心玻璃微球(9)，宽带光源(1)依次与偏振控制器(2)、光纤锥(3)、光谱分析仪(4)相连接，其特征在于：所述空心玻璃微球(9)与所述光纤锥(3)的锥区相连接，空心玻璃微球(9)内填充温度敏感液体(8)，空心玻璃微球(9)与单模光纤(11)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种回音壁模式谐振腔温度传感器，其特征在于：所述空心玻璃微球(9)与所述单模光纤(11)通过低折射率的紫外固化胶连接，空心玻璃微球腔(10)与所述光纤锥(3)通过低折射率的紫外固化胶连接。

3.根据权利要求1所述的一种回音壁模式谐振腔温度传感器，其特征在于：所述空心玻璃微球(9)表面有一个直径为10μm至15μm的微孔，所述光纤锥(3)的锥区直径为1至2μm，所述空心玻璃微球(9)的空心玻璃微球腔(10)直径为60μm至100μm，空心玻璃微球(9)的壁厚为1μm至2μm。

4.根据权利要求1所述的一种回音壁模式谐振腔温度传感器，其特征在于：所述的温度敏感液体(8)为硅油PDMS，且温度敏感液体(8)完全充满所述空心玻璃微球(9)，所述空心玻璃微球(9)的材料为二氧化硅。

5.一种回音壁模式谐振腔温度传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1.空心玻璃微球(9)开孔，将空心玻璃微球(9)固定在单模光纤(11)的端面上，铜棒蘸取氢氟酸，利用氢氟酸在空心玻璃微球(9)表面进行开孔处理；

步骤2.空心玻璃微球(9)内注入温度敏感液体(8)，将泵注射器(6)与毛细管(7)的一端相连接，毛细管(7)另一端固定在三维位移台(5)上，调整三维位移台(5)将毛细管(7)从空心玻璃微球(9)表面微孔伸入空心玻璃微球(9)的底部，通过控制泵注射器(6)将温度敏感液体(8)注入空心玻璃微球(9)，保证温度敏感液体(8)完全充满空心玻璃微球(9)，没有气泡剩余，制备出液体填充空心玻璃微球回音壁谐振腔；

步骤3.仪器连接，宽带光源(1)发射端通过偏振控制器(2)与光纤锥(3)输入端相连，光纤锥(3)中的光通过倏逝波耦合的方式进入回音壁谐振腔中，谐振腔中的输出光耦合进光纤锥(3)，经光纤锥(3)的输出端进入光谱分析仪(4)；

步骤4.调整温度敏感液体(8)填充的空心玻璃微球(9)与光纤锥(3)之间的位置，当达到高效耦合状态时，滴入紫外固化胶，利用紫外灯的照射使紫外固化胶固化。

6.根据权利要求5所述的一种回音壁模式谐振腔温度传感器的制备方法，其特征在于：所述铜棒尖端直径为5μm，氢氟酸浓度为1％，毛细管外径为8μm，内径为6μm。