CN111157490A - 一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，包括依次连接的宽带光源、微纳光纤、沟道阵列平板，以及与微纳光纤连接的波长检测单元；宽带光源用于光源的输入，即输入信号；微纳光纤设置在沟道阵列平板上，微纳光纤轴向与沟道阵列平板的阵列周期方向一致；沟道阵列平板的沟道阵列为周期性沟道阵列，其沟道通入液流，所述液流与微纳光纤接触，构成对微纳光纤的周期性调制，形成微纳光纤长周期光栅；波长检测单元用于输入信号的波长检测；本发明所述光栅折射率传感器，其谐振信号强度与波长由其平板沟道阵列中所通入液流的折射率所决定，能实现对液流折射率的高灵敏度测量，制作简单、成本低、调制灵活、复用能力强且具有良好的重复使用性。

Description

一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器

技术领域

本发明涉及光纤光栅折射率传感的研究领域，特别涉及一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器。

背景技术

光纤折射率传感器可以通过光纤倏逝场实现传输光与液流的相互作用。以此为基础，光纤生化传感器利用光波在光纤与外环境界面处产生的倏逝波，将光纤表面的特异性生物化学反应信息通过折射率变化的方式反馈于光传输信号，因此，只要对光信号参量进行追迹便可以实现对生物化学量的免标记探测。这种检测方式只与待测物浓度有关，并不依赖样本总量，符合微量样本测量的发展趋势，同时其操作简便性和个体性有潜力实现原位现场检测，具有良好的应用基础和广阔的发展空间。

微纳光纤作为一种新型的倏逝场光学器件，自出现以来便引发了业内的广泛关注。一方面，其具有高比例倏逝场，对外界折射率的变化非常敏感。另一方面，微纳光纤相对常规光纤，直径减小了1个数量级，可以提供更大的表面积-体积比，更有利于生化目标的探测。此外，微纳光纤还具有结构灵活、通信系统兼容等优势，为光纤在生物医学传感领域提供了新的平台。

近几年，以微纳光纤为基础的各类折射率乃至生化传感器相继的被报道出来，如布拉格光栅传感器、模式干涉仪以及谐振器等。相比于前述的传感器，微纳光纤长周期光栅，即在微纳光纤轴向上构成百微米级周期性调制结构，将基模传输的光信号耦合至能量更分布于外层的高阶模，可以进一步增大倏逝场效应，提高折射率灵敏度。因此，各类永久性折射率调制型，如紫外激光、二氧化碳激光以及飞秒激光写制的微纳光纤长周期光栅不断被开发出来。

由于长周期光栅的调制周期在百微米甚至毫米级别，加工精度要求较低，因此可以借由微纳光纤的强倏逝场特性，采用更灵活地调制方法实现微纳光纤长周期光栅器件的制作：

美国斯坦福大学的S.Savin等人采用周期性压力平板实现了可调式机械控制长周期光纤光栅。中国台湾国立联合大学和国立清华大学的C.Lee等人利用薄膜周期性包裹微纳光纤实现了长周期光栅。中国暨南大学的L.Sun等人利用微纳光纤缠绕结构行程了长周期光栅。中国国立台湾大学的H.Wang等人利用平板印压技术对微纳光纤构成周期性形变结构，实现了长周期光栅。中国吉林大学X.Zhang等人利用周期性点胶技术，实现了微纳光纤长周期光栅。中国南京大学B.Li等人利用Rayleigh-Plateau不稳定性技术实现了自周期点胶调制，完成了微纳光纤长周期光栅的制作。中国上海交通大学，英国南安普顿大学以及香港理工大学T.Qi等人联合完成了利用微电加热器周期性调制的可编程化的长周期光栅制作。

在微纳光纤长周期光栅折射率传感器领域中，液流通常只是作为被分析物，然而，如何充分挖掘液流的功能以进一步促进光与液流的相互作用，以及利用液流实现灵活的周期调控对传感器的发展以及实际应用十分有意义的。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，在于充分挖掘液流的功能以进一步促进光与液流的相互作用，以及利用液流实现灵活的周期调控，灵敏度高、制作简单、结构紧凑、成本低、调制灵活、复用能力强且具有良好的重复使用性。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，其特征在于，包括依次连接的宽带光源、微纳光纤、沟道阵列平板，以及与微纳光纤连接的波长检测单元；

所述宽带光源用于光源的输入，即输入信号；

所述微纳光纤设置在沟道阵列平板上，微纳光纤轴向与沟道阵列平板的阵列周期方向一致；

所述沟道阵列平板的沟道阵列为周期性沟道阵列，其沟道通入液流，所述液流与微纳光纤接触，构成对微纳光纤的周期性调制，形成微纳光纤长周期光栅，所述微纳光纤长周期光栅，通过特征谐振信号的变化反映液流折射率，实现高灵敏度折射率传感；所述液流即为待测物，也为微纳光纤长周期光栅的周期性调制因素；

所述波长检测单元用于输入信号的波长检测。

进一步地，所述沟道阵列平板为一维周期性沟道阵列平板。

进一步地，所述沟道阵列平板，其周期满足微纳光纤长周期光栅的谐振要求。沟道宽度为100-500微米，和阵列周期为200-2000微米。

进一步地，所述液流为具有高于空气折射率的气体或液体或流体或及其混合物。

进一步地，所述微纳光纤由通信用光纤拉制而成，其包括未拉锥区域、直径过渡区域、微纳光纤区域。

进一步地，所述微纳光纤区域的光纤直径小于通信光纤的包层直径。

进一步地，所述直径过渡区域为直径渐变过渡区域。

本发明的工作过程：将微纳光纤区域紧贴放置于一维周期性沟道阵列平板上，且其轴向与阵列的周期方向相同，与液流流动方向垂直；宽带光源发出的光信号经过微纳光纤的未拉锥区域入射微纳光纤区域，经微纳光纤与平板相结合区域后，经过微纳光纤另一端的未拉锥区域后，入射光波长检测单元；对平板中的沟道阵列通入液流，利用周期性液流实现对微纳光纤的调制形成长周期光栅；所述的微纳光纤长周期光栅，其谐振信号强度与波长由其平板沟道阵列中所通入液流的折射率所决定，因此可以实现对液流折射率的高灵敏度测量。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用的沟道阵列平板，通过沟道周期和占空设计，其沟道中的液流不仅仅是一个被动的待分析物，而是构成长周期光栅调制的主动激活因素，无“液流”便无“信号”，因此可以有效地避免单独被动分析中的“伪阳性”数据。

2、本发明采用的沟道阵列中液流的折射率与光栅的谐振波长与强度息息相关，因此可以实现对液流折射率的高灵敏度测量。

3、本发明采用的沟道阵列，可通过沟道中流入液流的控制，如在不同的区域流入不同种液流的方式实现复用式传感；还可以通过沟道周期和占空设计，实现对光栅谱型的灵活调制，如啁啾长周期光栅，相移长周期光栅。

4、本发明采用的微纳光纤长周期光栅折射率传感器，具有可拆分重组性，即，微纳光纤与沟道阵列平板可以灵活的拆开与重新组合，对于生化检测中分子特异性结合后不易解离的问题是一种优良的解决方案，因此，其在生物化学传感检测中具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器的微纳光纤结构示意图；

图2是本发明所述实施例中微纳光纤长周期光栅的沟道阵列中通入不同溶液折射率液流所对应的谐振光谱示意图；

图3为本发明所述实施例中微纳光纤长周期光栅的折射率传感曲线图。

其中，1-输入信号，2-微纳光纤，3-沟道阵列平板，4-液流，5-输出信号，6-未拉锥区域，7-直径过渡区域，8-微纳光纤区域。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，如图1所示，包括依次连接的宽带光源、微纳光纤、沟道阵列平板，以及与微纳光纤连接的波长检测单元；

宽带光源用于光源的输入，即宽带光源将输入信号入射微纳光纤；

微纳光纤设置在沟道阵列平板上，微纳光纤轴向与沟道阵列平板的阵列周期方向一致；

沟道阵列平板的沟道阵列为周期性沟道阵列，其沟道通入液流，所述液流与微纳光纤接触，构成对微纳光纤的周期性调制，形成微纳光纤长周期光栅；周期性排布的液流4对微纳光纤2实现调制，输出长周期谐振信号5，即输出信号。

波长检测单元用于输入信号的波长检测。

其中，微纳光纤2由标准通信光纤所拉制而成，具体方式为：将标准通信光纤的外涂覆层除去，把标准通信光纤固定在光纤夹具上用高温热源对去除外涂覆层的光纤区域进行预热，待光纤进入熔融状态后，用光纤夹具对光纤进行拉伸；微纳光纤2结构如图1所示，包括未拉锥区域6、过渡区域7、微纳光纤区域8，这里的过渡区域为直径渐变过渡区域；微纳光纤区域8直径为小于50微米，优选的为35微米。

沟道阵列平板为一维周期性沟道阵列平板，制作方式如下：在平板上刻写周期性的凹槽沟道实现，优选的，采用亚克力板作为基板，采用二氧化碳激光器作为刻写源，沟道宽度为360微米，周期长度为1100微米。

液流4可以为折射率高于空气的介质构成，可以是气体或者液体或者流体或者及其混合物，优选的，这里选为酒精与水的混合物。

光栅谐振信号5为长周期光栅损耗谷信号，优选的，其损耗谷最低值波长位于C通讯波段。光栅谐振信号5，其损耗谷有效带宽随着液流4周期数的增加而相应减小。光栅谐振信号5，其损耗谷的最低值波长会随着具有不同折射率的液流4通入沟道而改变，且最低值波长的变化与液流折射率具有相关性。

所述的光栅谐振信号5，其典型例，如图2所示，当液流4的折射率不断提高时，其最低值波长向长波方向移动。

所述的光栅谐振信号5，其典型例，根据图2的光谱进行分析追迹，可以获取谐振谷最低值波长与液流折射率的关系曲线，并总结出折射率响应曲线，如图3所示。

所述的一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，可以通过折射率响应特性，利用液流折射率作为换能参量，将其应用于温度、化学与生物传感等领域。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，其特征在于，包括依次连接的宽带光源、微纳光纤、沟道阵列平板，以及与微纳光纤连接的波长检测单元；

所述宽带光源用于光源的输入，即输入信号；

所述微纳光纤设置在沟道阵列平板上，微纳光纤轴向与沟道阵列平板的阵列周期方向一致；

所述沟道阵列平板的沟道阵列为周期性沟道阵列，其沟道通入液流，所述液流与微纳光纤接触，构成对微纳光纤的周期性调制，形成微纳光纤长周期光栅，所述微纳光纤长周期光栅，通过特征谐振信号的变化反映液流折射率，实现高灵敏度折射率传感；所述液流即为待测物，也为微纳光纤长周期光栅的周期性调制因素；

所述波长检测单元用于输入信号的波长检测。

2.根据权利要求1所述的一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，其特征在于，所述沟道阵列平板为一维周期性沟道阵列平板。

3.根据权利要求2所述的一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，其特征在于，所述沟道阵列平板，其周期满足微纳光纤长周期光栅的谐振要求。

4.根据权利要求1所述的一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，其特征在于，所述液流为具有高于空气折射率的气体或液体或流体或及其混合物。

5.根据权利要求1所述的一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，其特征在于，所述微纳光纤由通信用光纤拉制而成，其包括未拉锥区域、直径过渡区域、微纳光纤区域。

6.根据权利要求5所述的一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，其特征在于，所述微纳光纤区域的光纤直径小于通信光纤的包层直径。

7.根据权利要求1所述的一种微纳光纤长周期光栅折射率传感器，其特征在于，所述直径过渡区域为直径渐变过渡区域。

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