CN112577426A - 一种轴向探针式传感测试方法 - Google Patents

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吴一辉
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Abstract

本发明提供的轴向探针式传感测试方法，利用柱回音壁模式的轴向指数衰减型模场分布特性和其对轴向扰动的响应特性，实现基于柱形微腔的轴向分离探针式的传感探测方法，具有轴向大量程和高分辨率，可用于实现对液位、生物和气体等传感；且传感探测方式实现耦合区域与传感区域分离，耦合条件稳定不变，保证系统稳定性。

Description

一种轴向探针式传感测试方法
技术领域
本发明涉及光学传感技术领域，特别涉及一种轴向探针式传感测试方法。
背景技术
传统基于球形、环形、环芯形、盘形等结构的回音壁微腔中，光沿微腔内表面圆周方向以全反射方式传输，并且在相长干涉条件下形成的回音壁模式局域在周向的窄环内。此类回音壁模式微腔的传感探测方法是利用待测物对窄环传感区域内的模场扰动，以谐振模式的移动、劈裂或展宽作为传感信号进行探测。由于回音壁模式微腔是独立的谐振体，模式的激发和检测需要借助外部耦合元件，锥形光纤-谐振腔耦合系统以其高效的耦合效率被广泛应用。但在实际应用中，特别是生化传感应用中，由于受到上述结构的窄环传感区域的空间限制，液相环境下引入的探测物与模场的直接相互作用会不可避免地带来由于液体的表面张力、流动等因素对谐振腔与耦合光纤相对位置稳定性的影响，进而严重影响耦合系统光谱响应特性与探测信号的稳定性和准确性。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种旨在克服传统窄环模场分布对传感区域的限制和探测物引入对耦合元件的稳定性影响的轴向探针式传感测试方法。
为实现上述目的，本发明采用的轴向探针式传感测试方法，包括下述步骤：
以近场耦合元件耦合激发柱形微腔中的柱回音壁模式，并将所述近场耦合元件所在圆周截面作为耦合区域；
沿所述柱形微腔的柱腔轴向引入待测物，所述待测物所在区域作为传感区域，所述耦合区域和传感区域在所述柱腔轴向上呈物理距离分离；
监测所述柱回音壁模式透过谱线型的移动或劈裂变化得到待测物位置或浓度信息。
在其中一些实施例中，在以近场耦合元件耦合激发柱形微腔中的柱回音壁模式，并将所述近场耦合元件所在圆周截面作为耦合区域的步骤中，具体为：
通过调谐激光器产生的连续且波长可调的激光向所述近场耦合元件中输出，所述近场耦合元件耦合激发光学谐振腔形成柱回音壁模式。
在其中一些实施例中所述耦合元件为双锥形光纤或棱镜或斜角光纤。
在其中一些实施例中所述调谐激光器的工作波长在1550nm波段。
在其中一些实施例中在监测所述柱回音壁模式透过谱线型的移动或劈裂变化得到待测物位置或浓度信息的步骤中，具体为：
通过从所述光学谐振腔中耦合出来的光经由所述近场耦合元件输出至探测器，所述探测器探测经过所述近场耦合元件传输的光信号，并将所述光信号转换为电信号，并由信号采集装置采集并处理所述电信号，所述电信号包括待测物位置或浓度信息。
在其中一些实施例中所述柱形微腔为光学谐振腔，所述柱形微腔为去掉涂覆层的单模光纤，利用重水溶液对所述柱形微腔的轴向进行包覆。
在其中一些实施例中所述微柱腔结构为柱形微腔和双锥形光纤垂直耦合，所述柱形微腔为去掉涂覆层的单模光纤，利用重水溶液对所述柱形微腔的轴向进行包覆。
在其中一些实施例中所述重水溶液为容积为110微升的开放PMMA腔盛放，由步进电机驱动PMMA腔体移动达到控制液位目的。
在其中一些实施例中所述柱回音壁模式透过谱功率表达式：
Figure BDA0002805781860000031
其中，f是柱回音壁模场与输入场的传输系数比，
Figure BDA0002805781860000032
是柱回音壁模式模场与传输输入场之间的相位差，E为在稳态下得到的柱回音壁模场，表达式为：
Figure BDA0002805781860000033
其中，α是材料衰减常数，β＝2πnc/λ是传播常数，场相位表达的S(N,zc)是从耦合位置zc传播了N匝的路径长度，S(N,γeff,zc)≈2πreN-π3γeff2reN3/3-2πγeffNzc，其中，有效斜率γeff取代了物理斜率γ(|dre|/dz)，re和nc为柱形微腔的半径和折射率。
在其中一些实施例中当传输光满足相长自干涉的条件时，轴向模式数为q＝0、1、2、3，...的柱回音壁模式出现在谐振波长处，表示为：
Figure BDA0002805781860000034
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的轴向探针式传感测试方法，利用柱回音壁模式的轴向指数衰减型模场分布特性和其对轴向扰动的响应特性，实现基于柱形微腔的轴向分离探针式的传感探测方法，具有轴向大量程和高分辨率，可用于实现对液位、生物和气体等传感；且传感探测方式实现耦合区域与传感区域分离，耦合条件稳定不变，保证系统稳定性。
此外，本发明提供的轴向探针式传感测试方法，其中，光学谐振腔为柱形光学微腔具有结构简单、重量轻和易于封装集成等优点，在常规光纤上即可制作，不依赖于昂贵的纳米制造平台即可保证器件的表面光洁度和构型，成本低，性能稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它的附图。
图1是本发明实施例的提供的传感探测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的双锥形光纤耦合条件下柱形光学微腔的透过谱和激发的柱回音壁模式的特征峰示意图；
图3是本发明实施例的在不同有效斜率下的柱回音壁模式特征透过峰线型示意图；
图4是本发明实施例1提供的重水包覆的不同轴向液位下的特征谱峰示意图；
图5是本发明实施例2提供的光纤锥的不同轴向位置下的特征谱峰示意图。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的轴向探针式传感测试方法，包括下述步骤：
步骤S110：以近场耦合元件耦合激发柱形微腔中的柱回音壁模式，并将所述近场耦合元件所在圆周截面作为耦合区域。
进一步地，在以近场耦合元件耦合激发柱形微腔中的柱回音壁模式，并将所述近场耦合元件所在圆周截面作为耦合区域的步骤中，具体为：
通过调谐激光器产生的连续且波长可调的激光向所述近场耦合元件中输出，所述近场耦合元件耦合激发光学谐振腔形成柱回音壁模式。
在其中一些实施例中，所述耦合元件为双锥形光纤或棱镜或斜角光纤。
在其中一些实施例中，所述调谐激光器的工作波长在1550nm波段。
步骤S120：沿所述柱形微腔的柱腔轴向引入待测物，所述待测物所在区域作为传感区域，所述耦合区域和传感区域在所述柱腔轴向上呈物理距离分离。
在其中一些实施例中，所述柱形微腔为光学谐振腔，所述柱形微腔为去掉涂覆层的单模光纤。
在其中一些实施例中，所述待测物为开放PMMA腔盛放容积为110微升的重水溶液或直径25μm的微粒型光纤锥。
步骤S130：监测所述柱回音壁模式透过谱线型的移动或劈裂变化得到待测物位置或浓度信息。
具体地，在监测所述柱回音壁模式透过谱谐振波长的移动或线型的劈裂变化得到待测物位置或浓度信息的步骤中，具体为：
通过从所述光学谐振腔中耦合出来的光经由所述近场耦合元件输出至探测器，所述探测器探测经过所述近场耦合元件传输的光信号，并将所述光信号转换为电信号，并由信号采集装置采集并处理所述电信号，所述电信号包括待测物位置或浓度信息。
本发明提出引入的与双锥形光纤有一定轴向距离的待测物对模式有效折射率的改变等价于沿轴有效半径的改变，即微圆柱体有效表面轮廓的变化，并通过有效斜率γeff参量进行定量描述。
具体地，考虑轴向扰动下的所述柱回音壁模式透过谱功率表达式：
Figure BDA0002805781860000061
其中，f是柱回音壁模场与输入场的传输系数比，
Figure BDA0002805781860000062
是柱回音壁模式模场与传输输入场之间的相位差，E为稳态柱回音壁模场，表达为：
Figure BDA0002805781860000063
其中，α是材料衰减常数，β＝2πnc/λ是传播常数，场相位表达的S(N,zc)是从耦合位置zc传播了N匝的路径长度，S(N,γeff,zc)≈2πreN-π3γeff2reN3/3-2πγeffNzc，其中，有效斜率γeff取代了物理斜率γ(|dre|/dz)，re和nc为柱形微腔的半径和折射率。满足相长自干涉的条件的传输光，在谐振波长λq位置处形成轴向模式数为q＝0、1、2、3，...的柱回音壁模式，谐振波长λq表示为：
Figure BDA0002805781860000064
由于在柱形微腔缺乏轴向限制且来自双锥形光纤的耦合光轴向传播分量不为零，所以螺旋模式的激发不可避免。满足相长干涉条件且谐振波长相近的轴向波矢为零的平面回音壁模式和一系列螺旋模式耦合产生柱回音壁模式。在柱形微腔中激发的柱回音壁模式相比于传统平面回音壁模式，具有模场沿轴向呈毫米量级指数衰减分布的特征。
本发明利用轴向分布模场对轴向扰动的谐振波长移动和线型劈裂的特性，实现基于柱形微腔的轴向分离探针式的传感探测系统。
请参阅图1，为本发明一实施例提供的轴向探针式传感测试方法的测试系统结构示意图，包括：调谐激光器1、光纤偏振器2、近场耦合元件3、探测器4、信号采集处理装置5及光学谐振腔6，所述双锥形光纤3与所述光学谐振腔6的表面接触。其中：
通过调谐激光器1产生的连续且波长可调的激光经光纤偏振器2向所述近场耦合元件3中输出，所述近场耦合元件3耦合激发光学谐振腔6形成柱回音壁模式，通过从所述光学谐振腔6中耦合出来的光经由所述近场耦合元件3输出至探测器4，所述探测器4探测经过所述近场耦合元件3传输的光信号，并将所述光信号转换为电信号，并由信号采集处理装置5采集并处理所述电信号，所述电信号包括待测物位置或浓度信息。
请参阅图2，为本发明实施例的双锥形光纤耦合条件下柱形光学微腔的透过谱和激发的柱回音壁模式的特征峰示意图，通过探测器接收并采集到的透过谱，透过谱1540～1558nm范围为包含三个自由光谱范围(FSR)。谐振峰的周期性出现是表征柱回音壁模式的有效激发的证据。柱回音壁模式的特征峰不同于传统平面回音壁模式呈现的洛伦兹线型，如图4的放大区域(1551.2-1551.6nm)中展示，柱回音壁模式线型呈现为向短波方向展宽的洛伦兹形状。
请参阅图3，为本发明实施例的在不同有效斜率下的柱回音壁模式特征透过峰线型示意图。根据透过谱的表达式，以γeff＝0.05α、α和2α为例，给出了具有典型特征的三种共振线型。轴向扰动带来有效斜率改变量，会出现谱线型的短波震荡和谐振波长的移动，并以此特征峰响应作为传感探测信号。
以下结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
本发明采用的柱形微腔为去掉涂覆层的单模光纤(Corning，SMF-28e),利用重水溶液对柱腔轴向进行包覆，其中重水溶液由自制容积为110微升的开放PMMA腔盛放，由步进电机驱动PMMA腔体移动达到控制液位目的。包覆液体液位从远处向耦合点移动，不同的液面相对双锥形光纤耦合点的相对距离L下的透过谱如图4所示。
随着液位靠近耦合点，液体对柱回音壁模式的模场扰动逐渐增加，产生的有效斜率变化随之增大，透过谱线型出现在较短波长方向上的单侧振荡现象和谐振峰位移，当L从4000μm减少到40μm时，谐振峰蓝移为40μm。
实施例2
采用与实施例1相同制备方法的柱形微腔和双锥形光纤垂直耦合微柱腔结构。一段直径25μm的光纤尖端由位移平台控制被放置在柱形微腔的不同轴向相对位置L。越靠近耦合点的光纤尖端对柱回音壁模式的模场扰动越大，产生的有效斜率改变量随之增大。
如图5所示，随着光纤尖端向耦合点的移动，出现谐振峰的蓝移现象和透过谱单边方向的明显震荡。由于分析物的引入和运动引起透过谱线型出现在较短波长方向上的单侧振荡现象和谐振峰位移。不同轴向模式的谐振峰的蓝移表现不同，例如：追踪特征峰移动，一特征峰蓝移22pm，探测长度0.51mm，灵敏度约为43pm/mm；一特征峰蓝移9pm，探测长度1mm。灵敏度为9pm/mm。
当然本发明的轴向传感探测系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (10)

1.一种轴向探针式传感测试方法，其特征在于，包括下述步骤：
以近场耦合元件耦合激发柱形微腔中的柱回音壁模式，并将所述近场耦合元件所在圆周截面作为耦合区域；
沿所述柱形微腔的柱腔轴向引入待测物，所述待测物所在区域作为传感区域，所述耦合区域和传感区域在所述柱腔轴向上呈物理距离分离；
监测所述柱回音壁模式透过谱线型的移动或劈裂变化得到待测物位置或浓度信息。
2.如权利要求1所述的轴向探针式传感测试方法，其特征在于，在以近场耦合元件耦合激发柱形微腔中的柱回音壁模式，并将所述近场耦合元件所在圆周截面作为耦合区域的步骤中，具体为：
通过调谐激光器产生的连续且波长可调的激光向所述近场耦合元件中输出，所述近场耦合元件耦合激发光学谐振腔形成柱回音壁模式。
3.如权利要求2所述的轴向探针式传感测试方法，其特征在于，所述近场耦合元件为双锥形光纤或棱镜或斜角光纤。
4.如权利要求2所述的轴向探针式传感测试方法，其特征在于，所述调谐激光器的工作波长在1550nm波段。
5.如权利要求2所述的轴向探针式传感测试方法，其特征在于，在监测所述柱回音壁模式透过谱线型的移动或劈裂变化得到待测物位置或浓度信息的步骤中，具体为：
通过从所述光学谐振腔中耦合出来的光经由所述近场耦合元件输出至探测器，所述探测器探测经过所述近场耦合元件传输的光信号，并将所述光信号转换为电信号，并由信号采集装置采集并处理所述电信号，所述电信号包括待测物位置或浓度信息。
6.如权利要求1所述的轴向探针式传感测试方法，其特征在于，所述柱形微腔为光学谐振腔，所述柱形微腔为去掉涂覆层的单模光纤，利用重水溶液对所述柱形微腔的轴向进行包覆。
7.如权利要求6所述的轴向探针式传感测试方法，其特征在于，所述微柱腔结构为柱形微腔和双锥形光纤垂直耦合，所述柱形微腔为去掉涂覆层的单模光纤，利用重水溶液对所述柱形微腔的轴向进行包覆。
8.如权利要求6或7所述的轴向探针式传感测试方法，其特征在于，所述重水溶液为容积为110微升的开放PMMA腔盛放，由步进电机驱动PMMA腔体移动达到控制液位目的。
9.如权利要求1所述的轴向探针式传感测试方法，其特征在于，所述柱回音壁模式透过谱功率表达式：
Figure FDA0002805781850000021
其中，f是柱回音壁模场与输入场的传输系数比，
Figure FDA0002805781850000022
是柱回音壁模式模场与传输输入场之间的相位差，E为在稳态下得到的柱回音壁模场，表达式为：
Figure FDA0002805781850000023
其中，α是材料衰减常数，β＝2πnc/λ是传播常数，场相位表达的S(N,zc)是从耦合位置zc传播了N匝的路径长度，S(N,γeff,zc)≈2πreN-π3γeff2reN3/3-2πγeffNzc，其中，有效斜率γeff取代了物理斜率γ(|dre|/dz)，re和nc为柱形微腔的半径和折射率。
10.如权利要求9所述的轴向探针式传感测试方法，其特征在于，当传输光满足相长自干涉的条件时，轴向模式数为q＝0、1、2、3，...的柱回音壁模式出现在谐振波长处，表示为：
Figure FDA0002805781850000031
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