CN110006846B - 一种v型特种光纤的微量液体折射率测量装置与制备方法 - Google Patents

一种v型特种光纤的微量液体折射率测量装置与制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种V型特种光纤的微量液体折射率测量装置与制备方法，V型槽光纤的一端依次连接光纤、宽谱光源，V型槽的另一端依次连接光纤、光谱分析仪，V型槽光纤为轴向开口为α的特种光纤，在光纤预制棒的轴向开矩形槽；开槽后的光纤预制棒放入光纤拉丝塔中，拉制出具有开口角度α的V形槽光纤；连接仪器，使用下端接有锥形蚀刻毛细纤维管的微型注射分配器向V型槽中注入待测液体；分析光谱仪中的光谱变化，得到待测液体的折射率。本发明减少了特种光纤的工艺步骤，提高了制造工艺的可靠性，作为新型折射率传感器，使用极少量待测物质即可完成测试，可用于测量匹配液的折射率，也可以为生物细胞的快速检测提供有效基础数据。

Description

一种V型特种光纤的微量液体折射率测量装置与制备方法
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种V型特种光纤的微量液体折射率测量装置与制备方法。
背景技术
光纤传感技术是随着光纤技术和光通信技术发展起来的新兴传感技术，已广泛应用于各行各业。与传统的生物传感器相比，光纤生物传感器具有体积小、结构简单、抗电磁干扰、灵敏度高、成本低等独特优势，成为生物传感领域的研究热点之一。对光纤生物传感器的研究开发，已成为国际科技发展的新热点，是高新技术产业的重要组成部分，具有重要的战略意义。
目前常见的光纤生物传感器及光纤折射率传感器主要是通过待测物质影响了光纤周围环境的折射率来进行检测，按照其传感原理主要有以下几种：光纤倏逝波传感器、光纤光栅传感器、光纤表面等离子体共振传感器、光纤模式干涉传感器等。为提高检测灵敏度，往往需要对光纤进行以下处理：腐蚀、研磨或镀膜；拉锥或弯曲成U型结构；进行微加工，形成FBG、LPFG、TFBG等光栅结构。这些处理过程工艺复杂，重复性较差，通常只能检测折射率小于光纤的物质。
本发明旨在探索一种具有开放通道的V型特种光纤，其特性与其结构参数直接相关，对外界环境敏感，开放V型通道可以方便的放入待测物质，是一种极佳的折射率传感器件。基于V型特种光纤搭建光纤生物检测平台，可应用于免疫蛋白分子检测、肿瘤细胞检测、DNA检测等生物检测领域，实现结构简单、所需样品量少、可快速有效检测的光纤生物检测平台，为生物检测提供有效基础数据。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种V型特种光纤的微量液体折射率测量装置与制备方法，本方法减少了特种光纤的工艺步骤，提高了制造工艺的可靠性；本装置作为新型折射率传感器，可以基于V型特种光纤搭建光纤生物检测平台，为生物细胞的快速检测提供有效基础数据。
本发明的目的是这样实现的：
一种V型特种光纤的微量液体折射率测量装置，其结构包括宽谱光源、光谱分析仪、光纤、V型槽光纤，V型槽光纤的一端依次连接光纤、宽谱光源，V型槽的另一端依次连接光纤、光谱分析仪，所述的V型槽光纤为轴向开口为α的特种光纤。
V型槽光纤的开口角度α为20°至120°，V型槽光纤的直径为80μm至200μm。
V型槽光纤两端接有的光纤为单模光纤或少模光纤、多模光纤、保偏光纤，实现对轴熔接或特定偏移量的偏轴熔接。
使用微型注射分配器向V型槽中注入待测液体，微型注射分配器下端接有锥形蚀刻的毛细纤维管，注入待测液体的高度为V型槽的高度。
V型槽光纤的材料为石英光纤或掺杂光纤。
所述V型特种光纤内存在多个模式，宽谱光源从单模光纤注入V型特种光纤，激励起V型特种光纤的多个模式，形成多模干涉条纹，其输出频谱S(λ)为：
Figure BDA0002033132560000021
其中N是V型特种光纤中被激励起的模式的个数，S0(λ)是入射光谱，ηi表示单模光纤输入的LP01模式与V型特种光纤中的第i个模式之间的耦合系数，
Figure BDA0002033132560000022
是V型特种光纤第i个模式和第j个模式之间的相位差。
一种V型特种光纤的微量液体折射率测量装置的制备方法，具体的实现步骤为：
步骤1.使用金刚石锯在光纤预制棒的轴向开一个宽度为W，深度为D的矩形槽；
步骤2.开槽后的光纤预制棒放入光纤拉丝塔中，通过光纤拉丝塔的光纤卷取系统，控制拉丝塔参数，拉制出具有开口角度α的V形槽光纤；
步骤3.在V形槽光纤的一端依次连接光纤、光源，在V形槽光纤的另一端依次连接光纤、光谱分析仪；
步骤4.使用下端接有锥形蚀刻毛细纤维管的微型注射分配器向V型槽中注入待测液体；
步骤5.分析光谱仪中的光谱变化，得到待测液体的折射率。
本发明的有益效果在于：本发明减少了特种光纤的工艺步骤，提高了制造工艺的可靠性，制备了一种新型的填充纤芯V型特种光纤；本装置作为新型折射率传感器，使用极少量待测物质即可完成测试，可以用于测量匹配液的折射率，也可以基于V型特种光纤搭建光纤生物检测平台，为生物细胞的快速检测提供有效基础数据。
附图说明
图1为本发明的装置图。
图2为V型槽的截面图。
图3为本发明的流程图。
图4为本发明的拉制过程示意图。
图5为本发明的不同模式的光场分布图。
图6为不同折射率待测液下单模-V型-单模光纤结构的透射谱。
图7为折射率与参考点光谱变化的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
本发明的目的在于提供了一种V型特种光纤的微量液体折射率测量装置与制备方法，用极少量待测物质即可检测待测物质的折射率。
V型特种光纤内存在多个模式，宽谱光源从单模光纤注入V型特种光纤，激励起V型特种光纤的多个模式，形成多模干涉条纹，其输出频谱S(λ)为：
Figure BDA0002033132560000031
其中N是V型特种光纤中被激励起的模式的个数，S0(λ)是入射光谱，ηi表示单模光纤输入的LP01模式与V型特种光纤中的第i个模式之间的耦合系数，即
Figure BDA0002033132560000032
其中E0(r)为单模光纤的电场分布，Ei(r)为V型特种光纤的第i个模式的电场分布。
Figure BDA0002033132560000035
是V型特种光纤第i个模式和第j个模式之间的相位差，可以表示为
Figure BDA0002033132560000033
其中ni代表V型槽光纤中第i个模式的有效折射率，Lv是V型特种光纤的长度，λ是入射光的波长。当V型特种光纤的V型开放通道内填充不同的待测液体时，会改变V型特种光纤不同模式的等效折射率，从而引起
Figure BDA0002033132560000034
的变化，导致干涉条纹的漂移。
为了得到出V型特种光纤不同模式的等效折射率，采用有限元方法对V型特种光纤的模式性质进行了数值分析。在建模过程中，模型为如图2所示的V型特种光纤，V型特种光纤参数为轴向开口为48°、深度为50μm、直径为130μm。通过有限元算法，可以计算出V型特种光纤内各个模式的等效折射率和相应的光场分布。几种低阶模式的光场分布如图5所示。通过公式(2)计算出各个模式的耦合系数，并选择耦合系数大于1.5％的模式，得到了表1所示的V型特种光纤不同模式的等效折射率及其耦合系数。
我们发现，当V型槽内填充不同折射率的液体时，会引起V型特种光纤内各个模式等效折射率的改变。当V型特种光纤约为5cm长时，可以在待测液体仅有几十纳升的情况下实现待测液体有效折射率的测量，待测液体的体积比先前的报道所需待测液体低几个数量级。
表1.V型特种光纤内被激励其模式的等效折射率和相应的耦合系数
Figure BDA0002033132560000041
本发明结构包括宽谱光源、光谱分析仪、光纤、V型槽光纤，V型槽光纤的一端依次连接光纤、宽谱光源，V型槽的另一端依次连接光纤、光谱分析仪，所述的V型槽光纤为轴向开口为48°、深度为50μm、直径为130μm，长度为5cm的特种光纤。
光纤两端接有的光纤为单模光纤或少模光纤、多模光纤、保偏光纤，实现对轴熔接或特定偏移量的偏轴熔接。
使用微型注射分配器向V型槽中注入待测液体，微型注射分配器下端接有锥形蚀刻的毛细纤维管，注入待测液体的高度为V型槽的高度。
V型槽光纤的材料为石英光纤或掺杂光纤。
一种V型特种光纤的微量液体折射率测量装置的制备方法，具体的实现步骤为：
步骤1.使用金刚石锯在直径18mm石英光纤预制棒的轴向开一个1.0mm、深度约9.0mm的矩形槽；
步骤2.开槽后的光纤预制棒放入光纤拉丝塔中，通过光纤拉丝塔的光纤卷取系统，控制拉丝塔参数，拉制出具有开口角度48°的V形槽光纤；
步骤3.在V形槽光纤的一端依次连接单模光纤、ASE光源，在V形槽光纤的另一端依次连接光纤、光谱分析仪，ASE光源的中心波长为1550nm；
步骤4.使用下端接有锥形蚀刻毛细纤维管的微型注射分配器向V型槽中注入80纳升C2H5OH待测液体，可以使得待测液体沿着V形槽均匀地分布；
步骤5.打开光源，监测光谱仪的谱形变化，计算出待测液体的折射率。
为确认基于V型特种光纤的微量液体折射率测量装置的可靠性，我们对不同折射率的液乙醇-水溶液进行了实验，我们配置了折射率在1.33至1.37范围的不同乙醇浓度的乙醇-水溶液，其折射率与生物液体高度相似。随着乙醇浓度的增加，即随着折射率的增加，光谱仪的光谱向更长波长的方向移动，我们仅使用λ＝1525nm附近的谱线作为折射率测量装置的指示器。图6为不同乙醇浓度与光谱变化的关系，随着溶液浓度增加，光谱单调移动。图7为折射率与参考点光谱变化的关系，显示出良好的线性关系，相应的折射率灵敏度估计为163.63nm/RIU。我们还进行了温度灵敏度测试，传感器在25-75℃范围内也显示出可忽略的温度交叉敏感性，其与生物温度窗口重叠。实现了纳升级单液滴折射率传感的测量，体现了在生物和医学应用中的技术潜力。

Claims (1)

1.一种V型特种光纤的微量液体折射率测量装置，其结构包括宽谱光源、光谱分析仪、光纤、V型槽光纤，V型槽光纤的一端依次连接光纤、宽谱光源，V型槽的另一端依次连接光纤、光谱分析仪，其特征在于：所述的V型槽光纤为轴向开口为α的特种光纤；
V型槽光纤的开口角度α为20°至120°，V型槽光纤的直径为80μm至200μm；
V型槽光纤两端接有的光纤为单模光纤或少模光纤、多模光纤、保偏光纤，实现对轴熔接或特定偏移量的偏轴熔接；
使用微型注射分配器向V型槽中注入待测液体，微型注射分配器下端接有锥形蚀刻的毛细纤维管，注入待测液体的高度为V型槽的高度；
V型槽光纤的材料为石英光纤或掺杂光纤；
所述的V型槽光纤的制备方法为：使用金刚石锯在光纤预制棒的轴向开一个宽度为W，深度为D的矩形槽；开槽后的光纤预制棒放入光纤拉丝塔中，通过光纤拉丝塔的光纤卷取系统，控制拉丝塔参数，拉制出具有开口角度α的V形槽光纤；
所述V型特种光纤内存在多个模式，宽谱光源从单模光纤注入V型特种光纤，激励起V型特种光纤的多个模式，形成多模干涉条纹，其输出频谱S(λ)为：
Figure FDA0003266008940000011
其中N是V型特种光纤中被激励起的模式的个数，S0(λ)是入射光谱，ηi表示单模光纤输入的LP01模式与V型特种光纤中的第i个模式之间的耦合系数，
Figure FDA0003266008940000012
是V型特种光纤第i个模式和第j个模式之间的相位差。
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