CN113109296B - 一种基于多腔耦合游标效应的多通道微流传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于多腔耦合游标效应的多通道微流传感器，所述传感器是由三个相互耦合的薄壁毛细管构成的耦合系统，其中一个为控制通道，其余均为传感通道。当控制通道和各传感通道腔体中回音壁模式的品质因数接近时将产生游标效应，耦合系统的透射光谱中各谐振峰的强度将呈周期性变化，产生周期性光谱包络调制，从而实现高灵敏度折射率传感。本发明可以同时独立地对两种样品进行传感，具有传感灵敏度高、波长调谐范围广、折射率传感范围大、调谐手段简便易行等优点，并在一些特定的折射率附近可以获得无上限超高灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，通过多个环形谐振腔之间耦合作用导致的游标效应构建一种传感范围可调的高灵敏度多通道微流传感器。
背景技术
近年来，回音壁模式由于其具有高品质因数和小模式体积而在光学领域备受关注，鉴于此，环形回音壁模式微谐振腔已被广泛应用于高灵敏度光学传感。由于待测物理化学参量的变化会引起谐振腔透射光谱谐振波长的漂移，因此通过对谐振波长漂移的观测可以实现对待测量的测量。
同时，光学游标效应的引入有利于传感器灵敏度的进一步提高。光学游标效应的原理类似于游标卡尺，当两个自由光谱范围不同但相近的谐振光谱叠加后，其形成的光谱的包络具有更大的自由光谱范围。当待测物理量的变化引起谐振峰的波长变化时，游标包络将相应地发生漂移，且游标包络的漂移量会远大于单个谐振峰的漂移量，从而提高传感器的传感灵敏度。目前光学游标效应已被广泛应用于光纤传感领域。例如，南方科技大学提出了基于级联Sagnac干涉仪游标效应的液体密度传感系统(基于微波光子技术的液体密度传感器系统，公开号：CN209727686U，授权公开日：2019年12月3日)，但是其传感系统的光路复杂，不便于实际使用。中国计量大学提出了基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，实现了44084.1nm/RIU的高灵敏度(基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，公开号：CN209945377U，授权公开日：2020年1月14日)，但该传感器的一个马赫曾德干涉仪处于封闭状态，因此干涉光谱保持不变，在实现高灵敏度传感的同时很难兼顾传感范围。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种环形回音壁模式微腔耦合结构，将三个相互耦合的环形回音壁模式微腔集成到一起形成游标效应，可实现对两种液体的同时传感，兼顾了高传感灵敏度和大传感范围，同时在特定的折射率附近还可获得无上限超高灵敏度。
本发明的技术方案
基于多腔耦合游标效应的多通道微流传感器，所述传感器由三个相互耦合的薄壁毛细管构成的耦合系统，其中一个为控制通道，其余均为传感通道。当控制通道和两个传感通道腔体中回音壁模式的品质因数处于同一数量级时，耦合系统透射光谱中各谐振峰的强度将呈周期性变化，产生周期性光谱包络调制，且满足相位匹配条件
时，包络峰值强度将达到极大值，其中k为整数，
和
分别为控制通道和传感通道腔体内回音壁模式光场的相位。
本发明中各微流通道所使用的薄壁毛细管基底材料为纯石英，其在1550nm处的折射率为1.444，毛细管截面外径为120μm，壁厚为1.4μm。
游标效应的产生和传感原理：
本发明提出的基于多腔耦合游标效应的多通道微流传感器能够在控制通道和各传感通道内同时形成回音壁模式，在单毛细管微腔中的回音壁模式径向分布为：
其中Jm,Nm和Hm (1)分别为m阶贝塞尔函数，诺依曼函数和第一类汉克尔函数，Am,Bm,Cm和Dm均为常数，k0为自由空间中的波数，r为电场径向位置，R1和R2分别是薄壁毛细管的内外半径，n1、n2和n3分别为毛细管内填充液、纯石英和空气的折射率，这里n2＝1.444(1550nm波长处)，n3＝1。由(1)式可知，当填充液折射率n1改变时，控制通道腔体内的回音壁模式谐振波长将会发生相应漂移。
回音壁模式光场的振幅透过率为
其中tw和t分别表示波导模式和回音壁模式的自耦合系数；κ为波导模式和回音壁模式间的耦合系数，当忽略耦合过程中的损耗时，|tw|＝|t|且|κ|2+|t|2＝1。α和
分别为回音壁模式循环一周的光场振幅透过率和相位，
其中L是回音壁模式空间圆对称分布的圆周周长，λ为真空中的光波长，neff和Reff分别为回音壁模式的有效折射率和有效半径。
当各通道内回音壁模式的品质因数处于同一数量级时，其相互耦合作用将导致游标效应，该耦合系统的光场振幅透过率为
其中tw1和t1分别代表波导模式和控制通道内回音壁模式的自耦合系数，κ1为波导模式和控制通道内回音壁模式间的耦合系数，α1是控制通道内回音壁模式循环一周的光场振幅透过率，
为控制通道内回音壁模式循环一周的光场相位，t231和t321分别为第一传感通道(2)和第二传感通道(3)内的回音壁模式光场振幅透过率，可以由(2)式得到
其中tw2、t2和κ2分别表示控制通道内回音壁模式和第一传感通道(2)内回音壁模式的自耦合系数以及二者间的耦合系数，tw3、t3和κ3分别为控制通道内回音壁模式和第二传感通道(3)内回音壁模式的自耦合系数以及二者间的耦合系数，tw4、t4和κ4分别表示两个传感通道内回音壁模式的自耦合系数以及二者间的耦合系数，α2和α3分别为两个传感通道内的回音壁模式循环一周的光场振幅透过率，
和
分别是两个传感通道内回音壁模式循环一周的光场相位，t1a和t31分别为顺时针耦合时控制通道和第二传感通道(3)内的回音壁模式光场振幅透过率，t1b和t21分别为逆时针耦合时控制通道和第一传感通道(2)内的回音壁模式光场振幅透过率。
耦合系统透射光谱的光强透过率为
Tout＝|tout|2
当控制通道和传感通道腔体中的回音壁模式满足相位匹配条件
时，二者发生相消干涉，对应波长位置处光强透过率增大，对应于透射光谱中的游标包络峰。此时
其中nR1eff为控制通道内回音壁模式的有效折射率与有效半径之积，nR2eff为传感通道内回音壁模式的有效折射率与有效半径之积，na为控制通道填充液体的折射率，范围为1.480至.520，nb为传感通道中待测样品的折射率，范围为1.330至1.430，k为包络峰的级次。对于单一通道内的回音壁模式，其有效折射率与有效半径之积满足nReff(λ,n1)＝m/k0，可以得到，nReff的拟合函数为
nR1eff＝670.57961-0.51269 λ-819.99451 na-0.10058 λ na+286.82123 na 2(11)
nR2eff＝-464.15952+65.64275 λ+1156.77182 nb-105.32720 λ nb-803.59080 nb 2+40.83605 λ nb 2+184.31680 nb 3 (12)
根据拟合结果，nReff与波长λ呈线性关系，拟合函数可以改写为
nR1eff＝f1(na)+g1(na)λ (13)
nR2eff＝f2(nb)+g2(nb)λ (14)
于是(10)式可以改写为
当液态样品折射率改变引起传感通道内回音壁模式谐振波长的漂移时，游标包络峰值波长也会随之发生大幅漂移。而选取适当折射率的液体填充控制通道可以使漂移出探测范围的包络峰重新回到探测区间，因此拓展了待测样品的折射率传感范围；同时根据(15)式，在使其分母为零的一些特定的折射率附近可以获得无上限超高传感灵敏度，这些折射率称为临界折射率。据此能够实现大范围的折射率传感，并在特定折射率区间获得超高传感灵敏度。
本发明的优点和有益效果：
根据以上理论的优化设计结果表明各传感通道分别拥有各自的包络峰，且彼此串扰极小，可以同时进行独立传感；当样品折射率发生变化时，游标包络峰波长会发生相应漂移，因此基于波长解调可以实现对样品折射率的传感。当改变控制通道填充液体的折射率时，游标包络将发生整体漂移，以确保包络峰处于光谱仪工作范围内，据此可实现大动态范围的折射率传感，此外在一系列特定折射率附近还可以实现无上限超高灵敏度。该传感器具有集成度高、调谐手段简便、波长调谐范围大，可以实现大动态范围的高灵敏度折射率传感等优点。
附图说明
图1为本发明提出的多通道耦合微流传感器截面结构示意图，所述传感器由三个几何参数相同的薄壁毛细管构成。毛细管截面内外半径分别为58.6μm和60μm，壁厚为1.4μm。其中一个为控制通道，其余均为传感通道。
图2为当控制通道填充液折射率为1.470，样品折射率分别为1.392和1.348时的耦合系统透射光谱及游标包络光谱图。
图3为控制通道填充液折射率为1.470，样品2折射率为1.348，样品1折射率分别为1.390、1.391、1.392、1.393时的游标包络光谱图。
图4为控制通道填充液折射率为1.470，样品1折射率为1.392，样品2折射率分别为1.346、1.347、1.348、1.349时的游标包络光谱图。
图5为控制通道填充液折射率分别为1.497、1.501、1.505、1.509、1.513、1.517时，第14级次游标包络峰波长随样品折射率的变化曲线。
图6为控制通道填充液折射率分别为1.497、1.501、1.505、1.509、1.513、1.517时，第14级次游标包络峰传感灵敏度随样品折射率的变化曲线。
图7为控制通道内填充液折射率分别为1.470、1.474、1.478、1.482、1.486、1.490、1.494时，第9级次游标包络峰值波长随样品折射率的变化曲线。
图8为控制通道内填充液折射率分别为1.470、1.474、1.478、1.482、1.486、1.490、1.494时，第9级次游标包络峰传感灵敏度随样品折射率的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明提供的多通道微流传感器，是由三个几何参数相同的薄壁石英毛细管构成的耦合系统，其中一个为控制通道，其余两个为折射率传感通道，在每个毛细管通道内同时产生回音壁模式。当各通道内的回音壁模式品质因数处于同一数量级时，耦合系统的透射光谱强度将受到调制，形成游标包络，且当满足相位匹配条件时包络强度将达到极大值。当传感通道内液体样品的折射率发生变化时，该通道的回音壁谐振峰将发生相应漂移，引起游标包络的大幅漂移，据此可实现基于游标效应的高灵敏度折射率传感。该传感器的传感通道之间串扰极小，可同时独立地进行传感，并且可以通过调节控制通道内液体的折射率，实现多个动态范围内的可调谐折射率传感，同时在一系列特定折射率范围内可以实现超高传感灵敏度。该器件具有传感灵敏度高、波长调谐范围广、折射率传感范围大、调谐手段简便易行的优点。
本发明所使用的毛细管材料为纯石英，其在1550nm处的折射率为1.444，毛细管截面外径为120μm，壁厚为1.4μm。
图1为本发明提出的多通道微流传感器截面结构示意图，所述传感器由三个几何参数相同的薄壁毛细管构成。毛细管截面内外半径分别为58.6μm和60μm，壁厚为1.4μm。其中一个为控制通道标记为1号，内部填充有折射率液，其余两个为传感通道分别为第一传感通道和第二传感通道分别标记为2号和3号，内部填充有待测液体样品。
图2为耦合系统透射光谱及游标包络光谱图。由(10)式和(15)式可知，由于2号和3号传感通道内样品的折射率不同，这两个通道分别和1号控制通道耦合产生的游标包络峰位于不同的波长处。从图2可以发现透射光谱受到了调制，当1号控制通道填充液折射率为1.470，传感通道2和3内样品折射率分别为1.392和1.348时，透射光谱包络在1500nm和1620nm处分别出现了两个显著的包络峰，分别对应于各自的传感通道。
图3为控制通道填充液折射率为1.470，传感通道3内样品折射率为1.348，传感通道2内样品折射率分别为1.390、1.391、1.392、1.393时的游标包络光谱图。可以发现传感通道2内的样品折射率的增大导致左侧包络峰的显著红移，而右侧包络峰波长位置未受影响。
图4为控制通道填充液折射率为1.470，传感通道2内样品折射率为1.392，传感通道3内样品折射率分别为1.346、1.347、1.348、1.349时的游标包络光谱图。可以发现传感通道3内的样品折射率增大引起了右侧包络峰的显著红移，而左侧包络峰波长位置未受影响。由图3和图4可以看出，左侧包络峰的波长漂移反映了2号传感通道内样品折射率的变化，而右侧包络峰则反映了3号传感通道内样品的折射率变化情况，且对两通道内样品的传感可彼此相互独立进行。
图5为控制通道填充液折射率分别为1.497、1.501、1.505、1.509、1.513、1.517时，第14级次游标包络峰波长随样品折射率的变化曲线。从图中可以发现第14级次游标包络峰的临界折射率约为1.338，在临界折射率两侧，随着样品折射率的增大，包络峰先红移后蓝移。改变控制通道内液体的折射率可以拓展样品折射率的传感范围，实现1.330至1.430的大范围折射率传感。
图6为控制通道填充液折射率分别为1.497、1.501、1.505、1.509、1.513、1.517时，第14级次游标包络峰传感灵敏度随样品折射率的变化曲线。在控制通道内填充液的折射率为1.497的情况下，样品折射率为1.3304时的传感灵敏度为68259.456nm/RIU，样品折射率为1.3328时的传感灵敏度为126860.406nm/RIU；在控制通道内填充液的折射率为1.501的情况下，样品折射率为1.3527时的传感灵敏度为60476.512nm/RIU，样品折射率为1.3599时的传感灵敏度为25905.066nm/RIU。可以看到当样品折射率接近临界折射率，传感灵敏度显著增加，在临界折射率附近可获得无上限超高传感灵敏度。
图7为控制通道内填充液折射率分别为1.470、1.474、1.478、1.482、1.486、1.490、1.494时，第9级次游标包络峰值波长随样品折射率的变化曲线。从图中可以发现第9级次游标包络峰的临界折射率约为1.3945，在该临界折射率两侧，随着样品折射率的增大，包络峰先红移后蓝移。
图8为控制通道内填充液折射率分别为1.470、1.474、1.478、1.482、1.486、1.490、1.494时，第9级次游标包络峰传感灵敏度随样品折射率的变化曲线。可以看到，在控制通道内填充液的折射率为1.482的情况下，样品折射率为1.3931时的传感灵敏度为388352.859nm/RIU，样品折射率为1.3935时的传感灵敏度为705643.949nm/RIU；在控制通道内填充液的折射率为1.486的情况下，样品折射率为1.4042时的传感灵敏度为97234.587nm/RIU，样品折射率为1.4079时的传感灵敏度为52154.196nm/RIU。可以看到接近临界折射率时，传感灵敏度显著增加，在临界折射率附近可获得无上限超高灵敏度。由图7和图8可以看到，在1.330至1.430的折射率范围内存在一系列的临界折射率，这些临界折射率主要由包络峰的级次决定，且在临界折射率附近可以获得无上限传感灵敏度，据此可以选择适当级次的包络峰以满足实际应用的需要。
以上结果表明本发明提出的多通道微流传感器具有高折射率传感灵敏度和大折射率传感范围，此外基于对毛细管尺寸的设计和包络峰级次的合理选取，可以在特定的折射率范围内实现超高传感灵敏度传感。
Claims (6)
1.一种基于多腔耦合游标效应的多通道微流传感器，其特征在于所述传感器由三个相互耦合的薄壁毛细管构成的耦合系统，其中一个为控制通道，其余均为折射率传感通道；当各通道内回音壁模式的品质因数处于同一数量级时，其相互耦合作用将导致游标效应，该耦合系统的光场振幅透过率为
其中tw1和t1分别代表波导模式和控制通道内回音壁模式的自耦合系数，κ1为波导模式和控制通道内回音壁模式间的耦合系数，α1是控制通道内回音壁模式循环一周的光场振幅透过率，
为控制通道内回音壁模式循环一周的光场相位，t231和t321分别为第一传感通道(2)和第二传感通道(3)内的回音壁模式光场振幅透过率：
其中tw2、t2和κ2分别表示控制通道内回音壁模式和第一传感通道(2)内回音壁模式的自耦合系数以及二者间的耦合系数，tw3、t3和κ3分别为控制通道内回音壁模式和第二传感通道(3)内回音壁模式的自耦合系数以及二者间的耦合系数，α2和α3分别为两个传感通道内的回音壁模式循环一周的光场振幅透过率，
和
分别是两个传感通道内回音壁模式循环一周的光场相位，t31为顺时针耦合时第二传感通道(3)内的回音壁模式光场振幅透过率，t21为逆时针耦合时第一传感通道(2)内的回音壁模式光场振幅透过率：
其中tw4、t4和κ4分别表示两个传感通道内回音壁模式的自耦合系数以及二者间的耦合系数，t1a和t1b分别为顺时针耦合与逆时针耦合时控制通道内的回音壁模式光场振幅透过率：
耦合系统透射光谱的光强透过率为Tout＝|tout|2，当控制通道和传感通道腔体中的回音壁模式满足相位匹配条件
时，包络峰值强度将达到极大值，其中k为整数，
和
分别为控制通道和待测传感通道腔体中回音壁模式光场的相位。
2.根据权利要求1所述基于多腔耦合游标效应的多通道微流传感器，其特征在于微流通道所使用的毛细管基底材料为纯石英，其在1550nm处折射率为1.444，毛细管截面外径为120μm，壁厚为1.4μm。
3.根据权利要求1所述基于多腔耦合游标效应的多通道微流传感器，其特征在于当传感通道内样品折射率发生改变时，游标包络峰会发生相应漂移，且其漂移量远大于谐振峰的漂移量，据此能够实现对样品折射率的高灵敏度传感。
4.根据权利要求1所述基于多腔耦合游标效应的多通道微流传感器，其特征在于各传感通道分别拥有各自的透射光谱包络峰，彼此串扰极小，可以同时进行独立传感。
5.根据权利要求1所述基于多腔耦合游标效应的多通道微流传感器，其特征在于当改变控制通道填充的液体折射率时，游标包络将发生整体漂移，利用这一机制可保证包络峰处于光谱探测设备的工作范围内，从而扩展折射率的传感范围。
6.根据权利要求1所述基于多腔耦合游标效应的多通道微流传感器，其特征在于存在一系列由包络峰的级次决定的临界折射率，在临界折射率两侧，包络峰随待测样品折射率的增大发生相反的波长漂移响应，而当样品折射率接近临界折射率时，传感灵敏度无上限，据此在临界折射率附近可以获得无上限超高灵敏度。
Priority Applications (1)
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