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一种基于光子带隙的侧抛光纤-微结构光纤流体传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤流体控制领域，具体涉及一种基于光子带隙的侧抛光纤‑微结构光纤流体传感系统，包括侧抛光纤、微结构光纤、流入三通管、流出三通管、超连续光源与光谱仪，两段侧抛光纤的抛磨端口分别与微结构光纤两端相熔接构成侧抛光纤‑微结构光纤‑侧抛光纤的双侧抛磨结构，两段侧抛光纤的另一端分别接上超连续光源与光谱仪，两段侧抛光纤的抛磨区域分别内嵌于流入三通管与流出三通管中，流入三通管与流出三通管的另一端分别接上微结构光纤的两端；本发明的光纤流体传感系统可以实现对流动液体的实时检测，光纤抛磨区域的深度灵活可控，通过改变抛磨深度，可控制微结构光纤流体通道层数，影响系统灵敏度特性，可被广泛应用于光传感领域。

Description

一种基于光子带隙的侧抛光纤-微结构光纤流体传感系统
技术领域
本发明属于光纤流体控制领域，具体涉及一种基于光子带隙的侧抛光纤-微结构光纤流体传感系统。
背景技术
光纤微流体控制技术通过流体循环装置的搭建，使得功能材料能在光纤系统内部流动并充满通道内的全部空间，且在流动的同时与光场发生作用，可广泛应用于生化分析、环境监测等众多领域。
现存市面上的光纤流体传感系统主要有以下结构：SMF-C-PCF-C-SMF结构有着较高的灵敏度，但其细小的C形光纤带来了操作上的困难，光严重泄漏而无法在液芯中传输；使用倾斜光纤来实现对侧通道光子晶体光纤的流体控制。但光纤带倾角熔接其开口效果依赖于光纤端面抛磨倾角及熔接时的放电量、对准情况等，故稳定性不足，且其开口较小，对流体流速有一定的限制；还有一种D型PCF，该PCF具有可横向进入的空心。引入了一个侧开口通道，以允许分析物进入流体通道，这也提供了实时感测的可能性。但由于通道远离核心，因此检测灵敏度不高。综上所述，目前的光纤流体控制技术已经取得了一定的研究成果，但是通过简单的加工技术无法满足可更换填充液的要求，限制了该技术的应用范围。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题，提出一种基于光子带隙的侧抛光纤-微结构光纤流体传感系统，该系统包括包括侧抛光纤1、微结构光纤2、第一流入三通管3、第二流出三通管4、超连续光源5与光谱仪6，两段侧抛光纤1的抛磨端口分别与微结构光纤2两端相熔接构成侧抛光纤-微结构光纤-侧抛光纤的双侧抛磨结构，两段侧抛光纤1的另一端分别接上超连续光源5与光谱仪6，两段侧抛光纤1的抛磨区域分别内嵌于第一流入三通管3与第二流出三通管4中，第一流入三通管3与第二流出三通管4的另一端分别接上微结构光纤2的两端。
进一步的，侧抛光纤1由单模光纤经过抛磨加工制成，抛磨区域的光纤端面呈“D”型。
进一步的，侧抛光纤1为普通单模光纤进行侧向抛磨，抛磨深度为40um-60um，抛磨长度小于等于4cm。
进一步的，微结构光纤2为包层分布六角形规则排列空气孔的芯微结构光纤。
进一步的，微结构光纤2与侧抛光纤1相熔接时，对齐方式为纤芯对接，使抛磨区域对应微结构光纤2的空气孔得以露出。
进一步的，第一流入三通管3两侧平行端分别与侧抛光纤1的未抛磨区域和微结构光纤相连接，抛磨区域内嵌于流入三通管中，各个接口处做密封处理；通过对流入端进行增压，实现流体材料的导入。
进一步的，第二流出三通管4两侧平行端分别与另一段侧抛光纤1的未抛磨区域和微结构光纤2相连接，抛磨区域内嵌于流出三通管中，各个接口处做密封处理，通过流出端开放或根据需求减压，实现流体材料的导出。
进一步的，将高于基底折射率的流体材料填充入微结构光纤2的空气孔中时，在微结构光纤2中流体材料形成高折射率液柱，其导光机制由折射率引导型转换成光子带隙引导型。
进一步的，将上述任一一种方案的系统用于检测流体材料的物理特性。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
（1）抛磨深度灵活可控，通过调整侧抛光纤的抛磨深度，可以控制微结构光纤包层中作为流体通道的范围，不同的流体通道分布与不同种类的微结构光纤，使流体材料与信号光之间的相互作用更多样，丰富了光纤流体传感系统设计的可能性。
（2）通过对流入三通管的增压或对流出三通管的减压，使得液体材料能够在流体通道中循环流动，从而实现流体材料的实时检测。
（3）光纤流体传感系统灵敏度高、制造方便、结构紧凑、损耗小。因此可应用于其他流体材料的折射率、浓度、温度等相关物理特性的检测。
附图说明
图1为侧抛光纤-微结构光纤流体控制结构示意图；
图2为本发明所述的一种基于光子带隙的侧抛光纤—微结构光纤流体传感系统示意图；
图3为侧抛光纤与微结构光纤结构立体图；
图4（a）为具体实施中不同折射率的流体材料的透射光谱，图4（b）为所选观测点的波长随流体材料折射率响应的线性拟合曲线；
其中，1、侧抛光纤；2、微结构光纤；3、第一流入三通管；4、第二流出三通管；5、超连续光源；6、光谱仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
一种基于光子带隙的侧抛光纤—微结构光纤流体传感系统，其为一种流体控制系统，包括侧抛光纤、微结构光纤、第一流入三通管以及第二流出三通管。两段侧抛光纤的抛磨端口分别与微结构光纤两端相熔接构成侧抛光纤-微结构光纤-侧抛光纤如图3所示，两段侧抛光纤的抛磨区域分别内嵌于三通管中，另一端接于微结构光纤的两端，流入三通管的垂直端外接增压装置如图1所示；所述级联光纤一端接上光源另一端接入光谱仪。
所述侧抛光纤由单模光纤经过抛磨加工制成，采用轮式机械抛磨法进行侧向抛磨，利用夹具将单模光纤两端固定，中间用带砂纸的滚轮轴向研磨去掉部分包层，抛磨区域的光纤端面呈“D”型；然后进行高压火抛光处理以确保抛磨面平整均匀，从而防止表面细微裂纹引起抛磨区域断裂。
第一流入个三通管和第二流入三通管两侧平行端分别与侧抛光纤的未抛磨区域和微结构光纤连接，其中一个垂直端外接增压装置，各个接口处做密封处理如图2所示。通过对外接装置进行增压和减压控制，即可实现流体材料的导入导出。
将侧向抛磨的单模光纤与微结构光纤进行熔接，通过改变侧抛光纤的形状及深度，可以使微结构光纤露出不同位置及数量的空气孔，通过对空气孔填充折射率大于基底折射率的流体材料，使得流体材料会在微结构光纤中形成高折射率液柱，从而使得其导光机制由折射率引导型转变成光子带隙引导型，实现光子带隙效应。通过观测流体材料填充后的透射光谱，可以明显的观察到光子带隙现象。
在实施例中，设定侧抛光纤的抛磨区域抛磨长度为2cm，抛磨深度为57um，填充的流体材料折射率变化范围为1.6001~1.57384，间隔为0.00202，得到透射谱随折射率变化的漂移曲线如图4所示。对液体折射率和带隙左边缘波长进行线性拟合，可以得出随着折射率的增大，带隙左边缘的波长也随之增大，-76dB带隙边缘的折射率灵敏度为6130.98nm/RIU，线性拟合度高达99.94%，由此可以实现对流体材料折射率、浓度等相关物理特性的检测。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于光子带隙的侧抛光纤-微结构光纤流体传感系统，其特征在于，包括侧抛光纤（1）、微结构光纤（2）、第一流入三通管（3）、第二流出三通管（4）、超连续光源（5）与光谱仪（6），两段侧抛光纤（1）的抛磨端口分别与微结构光纤（2）两端相熔接构成侧抛光纤-微结构光纤-侧抛光纤的双侧抛磨结构，两段侧抛光纤（1）的另一端分别接上超连续光源（5）与光谱仪（6），两段侧抛光纤（1）的抛磨区域分别内嵌于第一流入三通管（3）与第二流出三通管（4）中，第一流入三通管（3）与第二流出三通管（4）的另一端分别接上微结构光纤（2）的两端；第一流入三通管（3）两侧平行端分别与侧抛光纤（1）的未抛磨区域和微结构光纤相连接，抛磨区域内嵌于流入三通管中，各个接口处做密封处理；通过对流入端进行增压，实现流体材料的导入；第二流出三通管（4）两侧平行端分别与另一段侧抛光纤（1）的未抛磨区域和微结构光纤（2）相连接，抛磨区域内嵌于流出三通管中，各个接口处做密封处理，通过流出端开放或根据需求减压，实现流体材料的导出；将侧向抛磨的单模光纤与微结构光纤进行熔接，通过改变侧抛光纤的形状及深度，可以使微结构光纤露出不同位置及数量的空气孔，通过对空气孔填充折射率大于基底折射率的流体材料，使得流体材料会在微结构光纤中形成高折射率液柱，从而使得其导光机制由折射率引导型转变成光子带隙引导型，实现光子带隙效应；侧抛光纤的深度为40um-60um。
2.根据权利要求1所述的一种基于光子带隙的侧抛光纤-微结构光纤流体传感系统，其特征在于，侧抛光纤（1）由单模光纤经过抛磨加工制成，抛磨区域的光纤端面呈“D”型。
3.根据权利要求2所述的一种基于光子带隙的侧抛光纤-微结构光纤流体传感系统，其特征在于，侧抛光纤（1）为普通单模光纤进行侧向抛磨，抛磨长度小于等于4cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于光子带隙的侧抛光纤-微结构光纤流体传感系统，其特征在于，微结构光纤（2）为包层分布六角形规则排列空气孔的芯微结构光纤。
5.根据权利要求1所述的一种基于光子带隙的侧抛光纤-微结构光纤流体传感系统，其特征在于，微结构光纤（2）与侧抛光纤（1）相熔接时，对齐方式为纤芯对接，使抛磨区域对应微结构光纤（2）的空气孔得以露出。
6.根据权利要求1~5所述任一项的一种基于光子带隙的侧抛光纤-微结构光纤流体传感系统，其特征在于，将流体传感系统用于检测流体材料的物理特性。
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