CN112268636A - 一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统 - Google Patents

Abstract

一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，通过微纳光纤、回音壁模式球状光学微腔和异丙醇液体的热光传感组合，形成被测温度变化致使异丙醇液体折射率变化、从而致使微腔谐振峰谐振波长变化或移动或漂移的热光传感路径，既能够保留回音壁模式光学微腔原有的高品质因子特性又能够提高温度传感灵敏度，进而实现对温度的精确测量。

Description

一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统

技术领域

本发明涉及光纤器件技术，特别是一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，通过微纳光纤、回音壁模式球状光学微腔和异丙醇液体的热光传感组合，形成被测温度变化致使异丙醇液体折射率变化、从而致使微腔谐振峰谐振波长变化或移动或漂移的热光传感路径，既能够保留回音壁模式光学微腔原有的高品质因子特性又能够提高温度传感灵敏度，进而实现对温度的精确测量。

背景技术

回音壁模式光学微腔是一种基于全内反射效应将光场约束在微米级空间区域内的光学元件，具有能量密度大、品质因子高、空间尺寸小的优点，在光纤传感领域具有广泛的应用。例如，回音壁模式光学微腔谐振波长随周围环境折射率的变化而发生改变，导致其谐振波长发生移动，通过监测波长的移动即可实现气体或液体折射率的检测。此外，光学微腔的折射率受其周围环境温度的影响而移动，据此可以实现温度传感。然而，用于制作微腔的常见材料，如二氧化硅，具有较低的热光系数和热膨胀系数，导致灵敏度较低。为了提高温度传感灵敏度，一般采用热光系数较高的敏感介质，如PDMA或PMMS等，涂敷在二氧化硅微腔表面或作为制作微腔的材料。然而，涂敷在微腔表面的敏感介质厚度难以精确控制，并且利用敏感介质制作的回音壁模式光学微腔品质因子低，影响温度测量精度。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺陷或不足，提供一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，通过微纳光纤、回音壁模式球状光学微腔和异丙醇液体的热光传感组合，形成被测温度变化致使异丙醇液体折射率变化、从而致使微腔谐振峰谐振波长变化或移动或漂移的热光传感路径，既能够保留回音壁模式光学微腔原有的高品质因子特性又能够提高温度传感灵敏度，进而实现对温度的精确测量。

本发明的技术方案如下：

一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，其特征在于，包括具有左端粗部、中间细部和右端粗部的双锥形微纳光纤，所述中间细部与回音壁模式球状光学微腔接触耦合，所述左端粗部连接输入单模光纤，所述右端粗部连接输出单模光纤，所述双锥形微纳光纤和所述回音壁模式球状光学微腔被封装在玻璃管内，所述玻璃管内填充有异丙醇液体，所述回音壁模式球状光学微腔被淹没在所述异丙醇液体中。

所述输入单模光纤的左端通过第一光纤适配器与宽谱光源连接，所述输出单模光纤右端通过第二光纤适配器与光谱分析仪连接。

所述玻璃管外的环境温度变化引起所述异丙醇液体的折射率变化，所述折射率变化导致所述回音壁模式球状光学微腔谐振峰谐振波长的改变，所述宽谱光源输出的光经所述输入单模光纤和双锥形微纳光纤耦合进所述回音壁模式球状光学微腔中形成谐振之后重新耦合回所述双锥形微纳光纤并经输出单模光纤输入至所述光谱分析仪中，所述光谱分析仪得到包含谐振信息的传输光谱，并通过测量谐振峰谐振波长的变化确定所述玻璃管外的环境温度。

利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得轮廓外形满足绝热条件的低损耗双锥形微纳光纤。

利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机制得所述回音壁模式球状光学微腔。

所述左端粗部与所述输入单模光纤熔融连接，所述右端粗部与所述输出单模光纤熔融连接。

通过纳米级精密位移台实现所述中间细部与所述回音壁模式球状光学微腔接触耦合。

所述玻璃管的两端均采用环氧树脂胶密封。

本发明的技术效果如下：本发明提供了一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，利用回音壁模式光学微腔的高品质因子特性，通过将回音壁模式光学微腔浸入异丙醇液体中，利用异丙醇所具有的高热光系数，提高温度传感灵敏度，实现外界液体温度的高灵敏度传感。本发明利用热光系数更高的异丙醇，将其与光学微腔及微纳光纤封装在玻璃管内，异丙醇感知外界液体温度的变化，引起其自身折射率较大幅度的改变，导致光学微腔的谐振波长发生大范围移动，从而提高温度传感灵敏度。本发明制备过程简单，易于操控，并且保留了回音壁模式光学微腔原有的高品质因子特性。本发明具有体积小、灵敏度高、易于远程监控等优点，可应用于化学或生物传感等领域。

本发明与现有技术相比具有以下特点：(1)本发明所提出的温度传感器件易于制备，微纳光纤和光学微腔被密封于玻璃管内，鲁棒性好，并且更接近实用。(2)本发明所采用的回音壁模式光学微腔制作材料为二氧化硅，保留了回音壁模式光学微腔的高品质因子特性，具有较高的温度分辨率。

附图说明

图1为实施本发明一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统结构示意图。

图中附图标记为：1-宽谱光源；2-输入单模光纤；3-双锥形微纳光纤；4-回音壁模式球状光学微腔；5-输出单模光纤；6-光谱分析仪；7-异丙醇液体；8-环氧树脂胶；9-玻璃管。

具体实施方式

下面结合附图(图1)对本发明进行说明。

图1为实施本发明一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统结构示意图。参考图1所示，一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，包括具有左端粗部、中间细部和右端粗部的双锥形微纳光纤3，所述中间细部与回音壁模式球状光学微腔4接触耦合，所述左端粗部连接输入单模光纤2，所述右端粗部连接输出单模光纤5，所述双锥形微纳光纤3和所述回音壁模式球状光学微腔4被封装在玻璃管9内，所述玻璃管9内填充有异丙醇液体7，所述回音壁模式球状光学微腔4被淹没在所述异丙醇液体7中。所述输入单模光纤2的左端通过第一光纤适配器与宽谱光源1连接，所述输出单模光纤5右端通过第二光纤适配器与光谱分析仪6连接。

所述玻璃管9外的环境温度变化引起所述异丙醇液体7的折射率变化，所述折射率变化导致所述回音壁模式球状光学微腔4谐振峰谐振波长的改变，所述宽谱光源1输出的光经所述输入单模光纤2和所述双锥形微纳光纤3耦合进所述回音壁模式球状光学微腔4中形成谐振之后重新耦合回所述双锥形微纳光纤3并经输出单模光纤5输入至所述光谱分析仪6中，所述光谱分析仪6得到包含谐振信息的传输光谱，并通过测量谐振峰谐振波长的变化确定所述玻璃管9外的环境温度。利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得轮廓外形满足绝热条件的低损耗双锥形微纳光纤。利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机制得所述回音壁模式球状光学微腔。所述左端粗部与所述输入单模光纤2熔融连接，所述右端粗部与所述输出单模光纤5熔融连接。通过纳米级精密位移台实现所述中间细部与所述回音壁模式球状光学微腔4接触耦合。所述玻璃管9的两端均采用环氧树脂胶8密封。

一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，宽谱光源输出端经输入单模光纤与微纳光纤输入端相连，微纳光纤输出端经输出单模光纤与光谱分析仪相连，微纳光纤与回音壁模式球状光学微腔接触耦合，并且被密封于填充异丙醇液体的玻璃管内。宽谱光源发出的光经微纳光纤耦合进回音壁模式球状光学微腔中，当满足相位匹配条件时便可形成谐振，从而在光谱分析仪上观测到谐振峰。外界液体温度的变化引起异丙醇折射率的改变，导致回音壁模式光学微腔谐振峰的谐振波长发生漂移，通过检测该漂移即可得到液体温度的变化，实现温度传感检测。本发明具有体积小、灵敏度高、易于远程监控等优点，可应用于化学或生物传感等领域。

一种基于回音壁模式光学微腔的液体温度传感系统，其特征在于，包括宽谱光源、输入单模光纤、输出单模光纤、微纳光纤、回音壁模式球状光学微腔、玻璃管、异丙醇、光谱分析仪。回音壁模式球状光学微腔周围填充异丙醇液体，外界液体温度的变化导致异丙醇折射率的变化，从而导致光学微腔谐振峰谐振波长的改变，利用光谱分析仪测量谐振波长的变化即可实现外界液体温度的传感检测。所述微纳光纤通过纳米级精密位移台与所述回音壁模式球状光学微腔接触耦合。利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得轮廓外形满足绝热条件的低损耗双锥形微纳光纤。利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机制得回音壁模式球状光学微腔。所述微纳光纤的两端分别与输入单模光纤和输出单模光纤熔融连接。所述输入单模光纤和输出单模光纤分别经光纤适配器与宽谱光源、光谱分析仪进行连接。

如图1所示，一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，包括宽谱光源1、输入单模光纤2、双锥形微纳光纤3、回音壁模式球状光学微腔4、输出单模光纤5、光谱分析仪6、异丙醇液体7、环氧树脂胶8、玻璃管9。双锥形微纳光纤3与回音壁模式球状光学微腔4接触耦合，并被密封于填充异丙醇液体7的玻璃管9中，以利用异丙醇液体7的高热光系数，增强球状光学微腔4对外界液体温度变化的敏感程度。所述双锥形微纳光纤3为锥角较小的低损耗微纳光纤，由单模光纤通过拉锥机热拉伸制得。通过加热单模光纤中部使其软化，再拉伸其两端使软化部分逐渐变细长制成双锥形微纳光纤3。所述双锥形微纳光纤3通过精密位移台与所述回音壁模式球状光学微腔4接触耦合。所述回音壁模式球状光学微腔4具有良好的回音壁模式特征，具有高品质因子与小模式体积，利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机制得回音壁模式球状光学微腔4。所述玻璃管9内部填充异丙醇液体7，当双锥形微纳光纤3与回音壁模式球状光学微腔4的相对位置固定后一起置于玻璃管9内，在玻璃管9一侧开口处用环氧树脂胶8密封，之后从另一侧填充异丙醇液体7，最后将该侧用环氧树脂胶8密封。所述双锥形微纳光纤3的两端分别通过输入单模光纤2连接宽谱光源1，通过输出单模光纤5连接光谱分析仪6；宽谱光源1输出的光经双锥形微纳光纤3耦合进回音壁模式球状光学微腔4中，之后重新耦合回双锥形微纳光纤3并经输出单模光纤5输入至光谱分析仪6中，得到包含谐振信息的传输光谱。当回音壁模式球状光学微腔4内的光场满足相位匹配条件时，会在光谱分析仪6中得到凹陷的谐振峰，外界液体温度的变化引起异丙醇液体7折射率的改变，导致回音壁模式球状光学微腔4谐振峰的谐振波长发生漂移，据此可以通过分析光谱分析仪6中谐振波长的变化测量外界液体的温度。所述双锥形微纳光纤3的两端与输入单模光纤2和输出单模光纤5熔融连接。输入单模光纤2和输出单模光纤5分别利用光纤适配器连接至宽谱光源1和光谱分析仪6。

本发明一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，按照以下方法实现外界液体温度的传感测量：(1)利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得微纳光纤；(2)微纳光纤两端熔接输入和输出单模光纤并分别连接宽谱光源和光谱分析仪；(3)利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机制得球状光学微腔；(4)调节微纳光纤和球状光学微腔的相对位置，使二者接触耦合；(5)将微纳光纤和球状光学微腔固定，并密封于玻璃管中，玻璃管内填充异丙醇液体；(6)将玻璃管浸入液体中，改变玻璃管周围液体的温度，记录谐振波长的移动，计算温度灵敏度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，其特征在于，包括具有左端粗部、中间细部和右端粗部的双锥形微纳光纤，所述中间细部与回音壁模式球状光学微腔接触耦合，所述左端粗部连接输入单模光纤，所述右端粗部连接输出单模光纤，所述双锥形微纳光纤和所述回音壁模式球状光学微腔被封装在玻璃管内，所述玻璃管内填充有异丙醇液体，所述回音壁模式球状光学微腔被淹没在所述异丙醇液体中。

2.根据权利要求1所述的基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，其特征在于，所述输入单模光纤的左端通过第一光纤适配器与宽谱光源连接，所述输出单模光纤右端通过第二光纤适配器与光谱分析仪连接。

3.根据权利要求1所述的基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，其特征在于，所述玻璃管外的环境温度变化引起所述异丙醇液体的折射率变化，所述折射率变化导致所述回音壁模式球状光学微腔谐振峰谐振波长的改变，所述宽谱光源输出的光经所述输入单模光纤和双锥形微纳光纤耦合进所述回音壁模式球状光学微腔中形成谐振之后重新耦合回所述双锥形微纳光纤并经输出单模光纤输入至所述光谱分析仪中，所述光谱分析仪得到包含谐振信息的传输光谱，并通过测量谐振峰谐振波长的变化确定所述玻璃管外的环境温度。

4.根据权利要求1所述的基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，其特征在于，利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得轮廓外形满足绝热条件的低损耗双锥形微纳光纤。

5.根据权利要求1所述的基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，其特征在于，利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机制得所述回音壁模式球状光学微腔。

6.根据权利要求1所述的基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，其特征在于，所述左端粗部与所述输入单模光纤熔融连接，所述右端粗部与所述输出单模光纤熔融连接。

7.根据权利要求1所述的基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，其特征在于，通过纳米级精密位移台实现所述中间细部与所述回音壁模式球状光学微腔接触耦合。

8.根据权利要求1所述的基于回音壁模式球状光学微腔的液体温度传感系统，其特征在于，所述玻璃管的两端均采用环氧树脂胶密封。

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