CN110220612A - 一种空芯微结构光纤的温度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空芯微结构光纤的温度传感器及其制备方法，该温度传感器包括光源、光谱仪以及一段空芯微结构光纤，空芯微结构光纤一端与一硅球连接，另一端插入两根锥形多模光纤，一根锥形多模光纤与光源连接，另一根锥形多模光纤与光谱仪连接。本发明空芯微结构光纤的温度传感器具有较高的温度灵敏度，温度分辨率为1.973×10‑3℃和1.996×10‑4℃，线性度分别为0.99914和0.99953。由于热致机理的不同，双峰可用于温度标定。此具有自标定功能的高温度灵敏度传感器在环境监测、生物医学应用和工业生产等方面具有广阔的应用前景。

Description

一种空芯微结构光纤的温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种空芯微结构光纤的温度传感器及其制备方法。
背景技术
化学反应动力学是研究反应速率和反应机理的一门化学分支，它与反应温度有很大的关系。基于化学动力学原理，高灵敏度的温度监测是控制反应条件的关键之一，同时也是提高所需产品纯度和产品质量的关键。更具体地说，通过对温度的动态控制，加快主反应速率，增加所需产品的产量，同时抑制副反应速率，降低原料消耗和副产物产量。因此高灵敏度的动态温度监控尤为重要。
近年来随着光纤制造技术的进步，微光学器件得到了迅速的发展，尤其是在动态温度传感领域。为了提高基于光纤的温度传感器的灵敏度和可靠性，已经进行了一系列实质性的工作，例如对单模光纤(SMFs)、光纤光栅、耦合器和环形谐振器的微米级处理，以及对高双折射光子晶体光纤的选择性液体填充。基于传统硅基光纤结构的温度传感器，其温度灵敏度一般小于0.3nm/℃，这主要受纤芯与包层热光系数差较小的限制。而基于光子晶体光纤(PCF)的温度传感器，通过在空气孔中选择性地填充热敏液体(如酒精)来提高热光系数，虽然可以实现超高灵敏度，但当填充酒精被加热时，SMF与选择性填充PCF之间的熔接点很容易被分离。此外，光子晶体光纤在液体填充后的光学传输特性难以预测。
因此，在制作微结构光纤温度传感器时，如何提高传感器的灵敏度和可靠性是一个值得关注的问题。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种空芯微结构光纤的温度传感器及其制备方法，能高灵敏度动态温度监控和温度标定。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一方面，本发明提供一种空芯微结构光纤的温度传感器，包括光源、光谱仪以及一段空芯微结构光纤，空芯微结构光纤一端与一硅球连接，另一端插入两根锥形多模光纤，一根锥形多模光纤与光源连接，另一根锥形多模光纤与光谱仪连接。
进一步地，所述空芯微结构光纤的纤芯气孔内具有荧光材料涂层。
进一步地，所述荧光材料为罗丹明6G荧光材料。
进一步地，所述罗丹明6G荧光材料填充于空芯微结构光纤的纤芯气孔中的酒精或甘油溶液中。
进一步地，所述荧光材料涂层为涂覆在纤芯气孔内壁的荧光材料薄膜，其荧光参量和硅球反射率随温度变化而变。
进一步地，所述空芯微结构光纤为四边形空芯反谐振光纤、六边形空芯反谐振光纤、七边形空芯反谐振光纤、八边形空芯反谐振光纤或九边形空芯反谐振光纤。
另一方面，本发明提供一种空芯微结构光纤的温度传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：将空芯微结构光纤的两端切平，使用选择性填充方法只填充纤芯荧光材料；
步骤B：将步骤A得到的空芯微结构光纤一端与硅球熔接；
步骤C：将步骤B得到的空心微结构光纤另一端插入两根锥形多模光纤。
进一步地，其中步骤A中填充荧光材料为罗丹明6G荧光材料。
进一步地，所述罗丹明6G荧光材料填充于空芯微结构光纤的纤芯气孔中的酒精或甘油溶液中，具体填充方法为：采用选择性填充方法，将锥形多模光纤插入该空芯微结构光纤纤芯，利用加压的方式将荧光溶液填充到空芯光纤纤芯，通过烘干在纤芯内壁形成薄膜涂层。
进一步地，所述空芯微结构光纤为四边形空芯反谐振光纤、六边形空芯反谐振光纤、七边形空芯反谐振光纤、八边形空芯反谐振光纤或九边形空芯反谐振光纤。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
1、由于具有硅球的反射和纤芯涂覆的染料涂层硅球的反射率和荧光参量都与温度有关，该结构的温度传感器灵敏度更高。
2、纤芯涂覆薄膜涂层其填充方式简单，对于薄层中空气孔没有影响，不影响其有效折射率使光限制在纤芯中传输。
3、硅的热稳定性高，硅基传感器对恶劣环境具有较强的耐久性。由于硅1600度的熔点使其在高温下也具有适用性。
4、整套传感装置价格低廉，可以用光电探头做强度传感。
5、传感器结构新颖，R6g涂覆的空心反谐振光纤，涂覆手段可控而且荧光响应稳定，与硅球熔接之后的反射式探测更为便捷。
6、机理的新颖性。把荧光响应和硅基的温光响应联合在一起，互相校准，使该传感器可以用作温度标定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明空芯微结构光纤的温度传感器的结构示意图；
图2是本发明空芯微结构光纤的温度传感器的实物示意图；
图3是九边形空芯反谐振光纤的实际端面图；
图4是传感器的温度灵敏度与波长的函数；
图5是峰2与峰1的指数拟合图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-2所示，本发明提供一种空芯微结构光纤的温度传感器，包括光源、光谱仪以及一段空芯微结构光纤，空芯微结构光纤一端与一硅球连接，另一端插入两根锥形多模光纤，一根锥形多模光纤与光源连接，另一根锥形多模光纤与光谱仪连接。
具体地，所述空芯微结构光纤的纤芯气孔内具有荧光材料涂层。
具体地，所述荧光材料为罗丹明6G荧光材料。
具体地，所述罗丹明6G荧光材料填充于空芯微结构光纤的纤芯气孔中的酒精或甘油溶液中。
具体地，所述荧光材料涂层为涂覆在纤芯气孔内壁的荧光材料薄膜，其荧光参量和硅球反射率随温度变化而变。
本发明在空芯微结构光纤的纤芯中填充荧光材料形成薄膜涂层，当激发光通过纤芯时激发罗丹明6g薄膜涂层产生荧光，激光和产生的荧光经熔接的硅球反射，利用反射率和荧光参量与温度的之间的关系进行温度测量，形成高灵敏度温度传感器。同时激光和荧光双峰也可用作温度标定。
空芯反谐振光纤的选取及填充预处理：
具体地，所述空芯微结构光纤为四边形空芯反谐振光纤、六边形空芯反谐振光纤、七边形空芯反谐振光纤、八边形空芯反谐振光纤或九边形空芯反谐振光纤。在本实验中，选取九边形空芯反谐振光纤来作为实施例。图2为九边形空芯反谐振光纤的实际端面图。光纤的纤芯由周期性排列的空气孔围绕而成，空气孔与完美匹配层相嵌，光纤的壁厚为810.1nm，纤芯直径为72.12μm，整个光纤的直径为351.12μm。
空芯反谐振光纤(Anti-resonant hollow core fiber，HC-ARF)是通过泄露模进行导光的一种空芯微结构光纤，当纤芯中掠入射的光的横向传播常数与包层石英壁不发生谐振时，可以视其为一个宽带导光窗口，空芯反谐振光纤一般具有较大的结构尺寸和简单的包层结构。当石英璧的厚度t确定时，根据公式(1)，如果波长满足
式中n为石英折射率，N为整数，则光在石英中会达到最大反谐振，光会反射回纤芯进行传输，形成低损区。在理想条件下，低损区波长为850nm，680nm和567nm。同时所配10- 3mol/L的R6g溶液的吸收谱如图3所示。
使用光纤切割机将九边形反谐振光纤切成3厘米长的小段，两端切平，九边形通过选择性填充方法在空芯反谐振光纤纤芯内填充R6g甘油溶液。具体做法是将一根空芯光纤拉锥处理，然后将锥形尾纤插入所需空芯反谐振光纤，利用加压的方式将荧光溶液填充到空芯光纤纤芯，通过烘干在纤芯内壁形成薄膜涂层。
实施例2
另一方面，本发明提供一种空芯微结构光纤的温度传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：将空芯微结构光纤的两端切平，使用选择性填充方法只填充纤芯荧光材料；
步骤B：将步骤A得到的空芯微结构光纤一端与硅球熔接；
步骤C：将步骤B得到的空心微结构光纤另一端插入两根锥形多模光纤。
具体地，其中步骤A中填充荧光材料为罗丹明6G荧光材料。
具体地，所述罗丹明6G荧光材料填充于空芯微结构光纤的纤芯气孔中的酒精或甘油溶液中，具体填充方法为：采用选择性填充方法，将锥形多模光纤插入该空芯微结构光纤纤芯，利用加压的方式将荧光溶液填充到空芯光纤纤芯，通过烘干在纤芯内壁形成薄膜涂层。
空芯微结构光纤的温度传感器的制备
空心反谐振光纤纤芯加入荧光薄膜涂层后利用熔接机将得到的空芯微结构光纤一端与硅球熔接提供适当的反射，另一端将两根锥形多模光纤插入纤芯。本实验中使用藤仓公司的LZM-100熔接机对光线进行熔接处理。传感器装置如图1所示，包括激光光源、光谱仪、空芯微结构光纤。
空芯微结构光纤的温度传感器检测
将空心反谐振光纤(ARF)纤芯两端切平之后将其纤芯内壁涂覆罗丹明6G(R6g)薄膜提供荧光染料，然后将ARF一端熔接硅球，另一端插入两个锥形多模光纤并用干胶固定以提供光束传输的通道。中心波长为532nm的激光光源通过一根插入的多模光纤(MMF)传播到所述温度传感器，导致涂在ARF的内表面的R6g涂层产生荧光。在ARF内部传输的光经端面熔接的硅球反射，由另一个锥形MMF引导，由光谱分析仪(OSA)检测。
制备完传感器件后，将激光通过一根多模光纤入射进R6g涂覆的空芯光纤激发其产生荧光，激光和荧光通过ARF另一端硅球反射通过另一根多模光纤被光谱仪接收。光纤传感器中荧光信号和激光信号通过硅球反射经多模光纤传输到光谱仪，其参量随温度变化，在5个不同温度梯度下测得光强和荧光强度随温度的增大而减小如图3所示。
本发明空芯微结构光纤的温度传感器具有较高的温度灵敏度，温度分辨率为1.973×10-3℃和1.996×10-4℃，线性度分别为0.99914和0.99953。由于热致机理的不同，双峰可用于温度标定。此具有自标定功能的高温度灵敏度传感器在环境监测、生物医学应用和工业生产等方面具有广阔的应用前景。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
1、由于具有硅球的反射和纤芯涂覆的染料涂层硅球的反射率和荧光参量都与温度有关，该结构的温度传感器灵敏度更高。
2、纤芯涂覆薄膜涂层其填充方式简单，对于薄层中空气孔没有影响，不影响其有效折射率使光限制在纤芯中传输。
3、硅的热稳定性高，硅基传感器对恶劣环境具有较强的耐久性。由于硅1600度的熔点使其在高温下也具有适用性。
4、整套传感装置价格低廉，可以用光电探头做强度传感。
5、传感器结构新颖，R6g涂覆的空心反谐振光纤，涂覆手段可控而且荧光响应稳定，与硅球熔接之后的反射式探测更为便捷。
6、机理的新颖性。把荧光响应和硅基的温光响应联合在一起，互相校准，使该传感器可以用作温度标定。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种空芯微结构光纤的温度传感器，其特征在于，包括光源、光谱仪以及一段空芯微结构光纤，空芯微结构光纤一端与一硅球连接，另一端插入两根锥形多模光纤，一根锥形多模光纤与光源连接，另一根锥形多模光纤与光谱仪连接。
2.根据权利要求1所述的空芯微结构光纤的温度传感器，其特征在于，所述空芯微结构光纤的纤芯气孔内具有荧光材料涂层。
3.根据权利要求2所述的空芯微结构光纤的温度传感器，其特征在于，所述荧光材料为罗丹明6G荧光材料。
4.根据权利要求3所述的空芯微结构光纤的温度传感器，其特征在于，所述罗丹明6G荧光材料填充于空芯微结构光纤的纤芯气孔中的酒精或甘油溶液中。
5.根据权利要求2所述的空芯微结构光纤的温度传感器，其特征在于，所述荧光材料涂层为涂覆在纤芯气孔内壁的荧光材料薄膜，其荧光参量和硅球反射率随温度变化而变。
6.根据权利要求1所述的空芯微结构光纤的温度传感器，其特征在于，所述空芯微结构光纤为四边形空芯反谐振光纤、六边形空芯反谐振光纤、七边形空芯反谐振光纤、八边形空芯反谐振光纤或九边形空芯反谐振光纤。
7.一种空芯微结构光纤的温度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：将空芯微结构光纤的两端切平，使用选择性填充方法只填充纤芯荧光材料；
步骤B：将步骤A得到的空芯微结构光纤一端与硅球熔接；
步骤C：将步骤B得到的空心微结构光纤另一端插入两根锥形多模光纤。
8.根据权利要求7所述的空芯微结构光纤的温度传感器的制备方法，其特征在于，其中步骤A中填充荧光材料为罗丹明6G荧光材料。
9.根据权利要求8所述的空芯微结构光纤的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述罗丹明6G荧光材料填充于空芯微结构光纤的纤芯气孔中的酒精或甘油溶液中，具体填充方法为：采用选择性填充方法，将锥形多模光纤插入该空芯微结构光纤纤芯，利用加压的方式将荧光溶液填充到空芯光纤纤芯，通过烘干在纤芯内壁形成薄膜涂层。
10.根据权利要求7所述的空芯微结构光纤的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述空芯微结构光纤为四边形空芯反谐振光纤、六边形空芯反谐振光纤、七边形空芯反谐振光纤、八边形空芯反谐振光纤或九边形空芯反谐振光纤。
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