CN111693492A - 一个基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一个基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器及制备方法，步骤一：制备微纳光纤多环谐振器；实现超快呼吸湿度传感器的光路的构建。本发明在一种多环型谐振腔的基础上，通过将明胶涂覆于光纤上形成薄膜，借助于明胶特殊的湿敏特性，制备出的湿度传感器具有结构简单、易于制备、成本低廉等优点，并获得了超快速响应(84ms)和恢复时间(29ms)和大动态的传输范围(25dB)，可应用于食品加工、健康监测和其他生物医学领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器及制备方法，尤其涉及一种基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器及制备方法。
背景技术
在现代信息社会中，传感器是获取自然和生产领域中准确信息的主要途径与手段。传统传感器以其原理简单、测量准确度高、成本低等优点得到广泛应用，但在某些特殊如强电磁场或易燃易爆场合下，传统传感器难以进行有效检测，因此传统的传感器已无法满足现代科学技术发展的需要。与传统的传感器相比，光纤传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、体积小、适于易燃易爆环境下使用以及便于多点多参量测量等独特优势，属于非接触、非破坏性测量。
光纤传感器是指以光纤作为信息的传输介质，光作为信息的载体，将外界被测物理量的变化直接或间接的转换为光波的特征参量变化的传感器。光在光纤内部传播时的相位或者强度会因受到外界环境因素(如温度、湿度等)的影响发生相应的变化，若对相位或者强度加以测量，即可测出相应的外界被测物理量的数值。目前光纤传感器已经广泛应用于工业生产与日常生活中，可以用于测量温度、湿度、折射率等物理化学特性。其中，光纤湿度传感器是环境监测必不可少的设备，广泛应用于食品加工、空调、电子产品、医疗诊断等领域，包括人体呼吸监测。无论是在医院还是在家里，人的呼吸在疾病的非侵入性诊断中都起着至关重要的作用。呼吸频率和呼吸深度可以用来评估人体健康状况，因此迫切需要一个具有连续监测、快速响应和恢复时间的湿度传感器的出现。
光纤传感技术产生以来，研究者们开发出了多种类型的光纤湿度传感器，其中最常见的可分为两类:光纤传光式和光纤传感式。光纤传光式湿度传感器，通常是基于湿敏薄膜材料实现湿度探测的，将湿敏薄膜涂覆在光纤结构上，当外界环境的湿度发生变化时会导致光纤中传输的光的某些参量发生变化，比如光强、相位、波长的变化等，近几年，研究者集中研究新的光纤结构，以及尝试各种新的湿敏材料，两者的结合方式也是研究的热点。其中用来制作传感器的湿敏薄膜应消除或尽量减少受到环境中除湿度外别的因素的影响。目前国内外己有很多基于该理念设计的光纤湿度传感器，例如金学良等人的基于Nafion-结晶传感膜和Bedoya M等人基于Ru(II)的焚光效应的光纤湿度传感器等。光纤传光式湿度传感器结构简单，制作工艺成熟，目前发展比较完善。而光纤传感式湿度传感器，湿度传感的主要部分是光纤材料本身，并可以通过结合其他材料的方式来构成传感探头，从而实现湿度传感。例如将一段光纤拉锥，在锥区涂覆一层湿敏聚合物材料，当光信号在光纤中传输时，锥区附近的温度、湿度、折射率等因素发生变化时，会影响传输光的强度，排除其他干扰因素，即能实现湿度的传感，光纤与湿敏聚合物材料共同构成传感探头。光纤传感式湿度传感器结构紧密，制作简单，易实现微型化便于集成，是目前研究的热点。
微纳光纤是一种直径接近或小于传输光波长的波导，由物理拉伸方法制得，具有表面光滑、直径均匀性好、机械性能高、强光场约束、强倏逝场、表面场增强效应及反常波导色散等特性，在光通信、激光、传感检测、非线性光学、量子光学等领域具有重要的应用前景。由于微纳光纤的直径通常接近或小于传输的光波长，而且纤芯包层折射率差很大，具有下列新颖的光学传输特性：第一，微纳光纤具有强光场约束能力，在低阈值非线性效应及低功耗光子器件等方面得到了广泛关注和研究。同时，强光场约束使得微纳光纤具有微米量级的低损耗弯曲半径，在器件小型化及高密度、短距离光互联等方面具有潜在优势。此外，亚波长尺度上的强光场约束能够显著改变微纳光纤表面的光子态密度，调控光纤表面发光原子等的自发辐射几率或量子状态。第二，微纳光纤的超低表面粗糙度使其可以支持大比例(比如>90％)倏逝场的低损耗传输，有利于增强微纳光纤与其他结构的光学近场耦合，并提高微纳光纤传感器的灵敏度。同时，强约束的强倏逝场能在微纳光纤表面形成大梯度的空间光场，产生较大的光学梯度力，用于操控冷原子或纳米颗粒。在单模条件附近，微纳光纤芯内外能量比例随直径和波长变化剧烈，为大范围调控波导群速度、波导色散及光脉冲传输特性提供了可能。第三，由于微纳光纤的质量很小，传输光的动量变化就有可能引起光纤明显的机械状态变化，可用于灵敏检测其中传输光子的动量变化，以及实现高效的光子和声子耦合或转换。
利用微纳光纤操作简单、倏逝波耦合等特性，目前研究者们成功研制出多种基于微纳光纤的谐振腔。根据谐振腔结构大致可分为三类：圈型谐振腔、环型谐振腔和卷型谐振腔。由于圈型结构耦合区是通过相互作用力来保持，容易受到外界环境干扰，结构不够稳定，Tong等人通过将微纳光纤相互缠绕，增加微纳光纤间的摩擦力，形成结构更为稳定的环型谐振腔。Jiang等人所制作的环型谐振腔的品质因子(Q-factor)可达10，000以上。环型谐振腔可通过拉拽微纳光纤的一端来改变谐振腔的大小，而且谐振腔可以在低折射率衬底表面或者液体中稳定工作。Jiang等人用环型谐振腔实现了稀土掺杂的微型激光器，实验中使用975nm波长激光作为泵浦光，当最大泵浦功率为12.8mW时，最大输出功率约为8μW。此后他又实现了基于倏逝波增益的微纳光纤环型染料激光器。近期，肖尧等人在光学显微镜下将单根CdS纳米线折叠成微环反射镜，形成耦合的复合谐振腔结构，并通过游标效应选模，实现其稳定的低阈值单模激光输出。
目前，环型谐振腔已经得到了飞速的发展，单个的环型谐振腔已广泛应用于温度传感、湿度传感、激光器、通信系统等方方面面，比较复杂的多环型谐振腔也逐渐出现并正在研究中。目前，基于微纳光纤多环型谐振器的特性与应用侧重于光通信，传感方面的应用还很少。已经报道过的具有超快速响应的光纤湿度传感器也不多，是值得深入探索的研究方向。2019年Xing等人将3D结构的石墨烯网涂敷于拉锥光纤上，获得了35dB的响应范围，然而这种方法涉及到的制备过程复杂，响应时间和恢复时间分别长达4s和23s。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种响应时间可达毫秒级，具有机械稳定性强、损耗低、易于制备的优点，未来可作为湿度传感器应用于健康监测、生物化学、食品和其他与日常生活有关的领域的一个基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器及制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一个基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器，由以下方法制备而成：
步骤一：制备微纳光纤多环谐振器：利用陶瓷微电偶加热器，将其加热至工作温度，再将单模光纤加热至熔融状态并拉制成微纳光纤，锥腰直径2μm，长度16mm；制备好一根微纳光纤后，将其左端固定于光纤位移三维平台，右端沿其轴逆时针旋转180度，以确保光纤保持直的形状没有交叉；将光纤的右侧部分移至左侧，锥形部分将由于内部应力而相交；利用探针将相交的其中一根尾纤穿入相交产生的回路，形成由一个单环谐振器与一个弯曲的马赫-曾德干涉组成的多环结构，即微纳光纤多环谐振器；
步骤二：将制作好的微纳光纤多环谐振器平放于低折射率MgF2玻璃上，将除了马赫-曾德干涉臂以外的部位全部滴上低折射率紫外胶，包括拉锥光纤末端，并用紫外灯固化；配备浓度为5％的明胶溶液，均匀超声并加热后用注射器滴至马赫-曾德干涉臂上，在室温下晾干至形成均匀的薄膜；将制备好的湿度传感器一侧尾纤使用光纤焊接机与白光光源熔接在一起，另一侧尾纤用光纤焊接机与光谱仪熔接在一起；开启白光光源测量其输出光谱，得到基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器；
所述工作温度为1300℃。
一个基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器的制备方法，
步骤一：制备微纳光纤多环谐振器：利用陶瓷微电偶加热器，将其加热至工作温度，再将单模光纤加热至熔融状态并拉制成微纳光纤，锥腰直径2μm，长度16mm；制备好一根微纳光纤后，将其左端固定于光纤位移三维平台，右端沿其轴逆时针旋转180度，以确保光纤保持直的形状没有交叉；将光纤的右侧部分移至左侧，锥形部分将由于内部应力而相交；利用探针将相交的其中一根尾纤穿入相交产生的回路，形成由一个单环谐振器与一个弯曲的马赫-曾德干涉组成的多环结构，即微纳光纤多环谐振器；
步骤二：将制作好的微纳光纤多环谐振器平放于低折射率MgF2玻璃上，将除了马赫-曾德干涉臂以外的部位全部滴上低折射率紫外胶，包括拉锥光纤末端，并用紫外灯固化；配备浓度为5％的明胶溶液，均匀超声并加热后用注射器滴至马赫-曾德干涉臂上，在室温下晾干至形成均匀的薄膜；将制备好的湿度传感器一侧尾纤使用光纤焊接机与白光光源熔接在一起，另一侧尾纤用光纤焊接机与光谱仪熔接在一起；开启白光光源测量其输出光谱，得到基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器；
所述工作温度为1300℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明制备方法简单，可肉眼操作，无需借助显微镜；制作原料(光纤和明胶)易得、安全、环境友好、抗电磁干扰且价格低廉，一根光纤就可以制作出本结构；性能优秀，高Q值、低损耗且机械稳定性好。本发明在不同湿度环境下的输出光谱也不一样，通过监测实时光谱可作为呼吸传感器使用，应用于家庭保健、工业过程控制等领域。
本发明提出的一种多环型谐振腔的基础上，通过将明胶涂覆于光纤上形成薄膜，借助于明胶特殊的湿敏特性，制备出的湿度传感器具有结构简单、易于制备、成本低廉等优点，并获得了超快速响应(84ms)和恢复时间(29ms)和大动态的传输范围(25dB)，可应用于食品加工、健康监测和其他生物医学领域。
附图说明
图1是多环谐振器的制备；
图2a-b是湿度传感器的实施例；
图3是湿度传感器在两种湿度环境下的光谱图；
图4a-f是不同相对湿度下光谱传输的变化；
图5是不同呼吸频率下的响应特性。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明通过以下方案实现：
1.微纳光纤多环谐振器的制备：
利用陶瓷微电偶加热器，将其加热至工作温度(约1300℃)，再将单模光纤加热至熔融状态并拉制成微纳光纤，锥腰直径2μm，长度16mm。制备好一根微纳光纤后，将其左端固定于光纤位移三维平台，右端沿其轴逆时针旋转180度，以确保光纤保持直的形状没有交叉。将光纤的右侧部分移至左侧，锥形部分将由于内部应力而相交。利用探针将相交的其中一根尾纤穿入相交产生的回路，形成由一个单环谐振器与一个弯曲的马赫-曾德干涉组成的多环结构。
2.湿度传感器的实现：
将制作好的微纳光纤多环谐振器平放于低折射率MgF2玻璃(约1.37)上，将除了马赫-曾德干涉臂以外的部位全部滴上低折射率紫外胶(约1.34)，包括拉锥光纤末端，并用紫外灯固化。配备浓度为5％的明胶溶液，均匀超声并加热后用注射器滴至马赫-曾德干涉臂上，在室温下晾干至形成均匀的薄膜。将制备好的湿度传感器一侧尾纤使用光纤焊接机与白光光源熔接在一起，另一侧尾纤用光纤焊接机与光谱仪熔接在一起。开启白光光源测量其输出光谱。制备的湿度传感器可以呈现出如上下话路滤波器的两种输出光谱。
3.测量湿度：
保持测量输出光谱的光路不变，将制备的湿度传感器放入温湿度控制箱中。温度恒定为37℃，初始相对湿度为40％。测量了不同相对湿度下光谱传输的变化。
4.监测呼吸：
湿度传感器的一侧连接拉曼光纤激光器，一侧连接用于放大信号的光放大器和示波器来检测响应速度。传感器固定于呼吸面罩上，并由志愿者戴上呼吸面罩以鼻呼吸，创造一个理想的呼吸监测环境。示波器可实时反映出志愿者的呼吸状况。测量了三组不同频率的呼吸状态(快速呼吸、正常呼吸、深呼吸)，最后得到响应时间为84ms，恢复时间为29ms。
综上所述：一个基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器。该发明由以下部分组成：1.微纳光纤多环谐振器的制备。2.实现超快呼吸湿度传感器的光路的构建。该发明具有制备简单、高性能、低损耗、成本低廉的优势，利用明胶的湿敏特性制备了湿度传感器，具有超快速响应和大动态传输范围，可用于呼吸监测、食品加工等需要测量动态湿度的诸多领域。
Claims (4)
1.一个基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器，其特征是，由以下方法制备而成：
步骤一：制备微纳光纤多环谐振器：利用陶瓷微电偶加热器，将其加热至工作温度，再将单模光纤加热至熔融状态并拉制成微纳光纤，锥腰直径2μm，长度16mm；制备好一根微纳光纤后，将其左端固定于光纤位移三维平台，右端沿其轴逆时针旋转180度，以确保光纤保持直的形状没有交叉；将光纤的右侧部分移至左侧，锥形部分将由于内部应力而相交；利用探针将相交的其中一根尾纤穿入相交产生的回路，形成由一个单环谐振器与一个弯曲的马赫-曾德干涉组成的多环结构，即微纳光纤多环谐振器；
步骤二：将制作好的微纳光纤多环谐振器平放于低折射率MgF2玻璃上，将除了马赫-曾德干涉臂以外的部位全部滴上低折射率紫外胶，包括拉锥光纤末端，并用紫外灯固化；配备浓度为5％的明胶溶液，均匀超声并加热后用注射器滴至马赫-曾德干涉臂上，在室温下晾干至形成均匀的薄膜；将制备好的湿度传感器一侧尾纤使用光纤焊接机与白光光源熔接在一起，另一侧尾纤用光纤焊接机与光谱仪熔接在一起；开启白光光源测量其输出光谱，得到基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器。
2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器，其特征是，所述工作温度为1300℃。
3.一个基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：制备微纳光纤多环谐振器：利用陶瓷微电偶加热器，将其加热至工作温度，再将单模光纤加热至熔融状态并拉制成微纳光纤，锥腰直径2μm，长度16mm；制备好一根微纳光纤后，将其左端固定于光纤位移三维平台，右端沿其轴逆时针旋转180度，以确保光纤保持直的形状没有交叉；将光纤的右侧部分移至左侧，锥形部分将由于内部应力而相交；利用探针将相交的其中一根尾纤穿入相交产生的回路，形成由一个单环谐振器与一个弯曲的马赫-曾德干涉组成的多环结构，即微纳光纤多环谐振器；
步骤二：将制作好的微纳光纤多环谐振器平放于低折射率MgF2玻璃上，将除了马赫-曾德干涉臂以外的部位全部滴上低折射率紫外胶，包括拉锥光纤末端，并用紫外灯固化；配备浓度为5％的明胶溶液，均匀超声并加热后用注射器滴至马赫-曾德干涉臂上，在室温下晾干至形成均匀的薄膜；将制备好的湿度传感器一侧尾纤使用光纤焊接机与白光光源熔接在一起，另一侧尾纤用光纤焊接机与光谱仪熔接在一起；开启白光光源测量其输出光谱，得到基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器。
4.根据权利要求3所述的基于微纳光纤多环谐振器的超快呼吸湿度传感器的制备方法，其特征是，所述工作温度为1300℃。
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