CN114459512B - 基于脉冲光的分布式量子传感器及传感微结构制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及NV色心传感技术领域，方案为一种基于脉冲光的分布式量子传感器，包括有触发源、处理终端以及传感光纤，所述传感光纤上设有若干组探测区，每个探测区内均设置有量子点，所述触发源用于产生特制脉冲光源，并将特制脉冲光源耦合进入传感光纤中，量子点在特制脉冲光源的照射下产生应激荧光，相比于现有技术，本发明利用同一种量子点即可实现一根载体光纤的分布式传感，其成本更低、生产更容易、反射荧光更容易与触发光过滤区分，且由于采用同一种量子点，本发明可使用特定波长的触发光，实现所有量子点高效触发，提高了测量准确性，同时，采用同一种量子点进行测量，测量方式和标准是统一的，使得测量结果更便于计算。

Description

基于脉冲光的分布式量子传感器及传感微结构制作方法

技术领域

本发明涉及NV色心传感技术领域，具体涉及到一种基于脉冲光的分布式量子传感器及传感微结构制作方法。

背景技术

近年来，以光纤为传感元件的测量技术已成为目前传感技术中的研究热点。随着各种光纤器件的大量涌现，使用光纤及光纤器件来进行磁场、温度等传感的方法越来越受到人们的广泛关注。现有技术中使用光纤-量子点结合进行传感的技术不在少数，但是其一般只能进行单点传感，即一根光纤上只有一个点位能进行测量，不能实现分布式测量，使用存在局限性。

公开号为CN103954377B的中国专利公开了一种基于微结构光纤的温度传感器及其制备方法和测温装置。所述温度传感器包括至少两段微结构光纤，相邻两段微结构光纤之间通过多模光纤串接；所述微结构光纤的纤芯和包层二者之中至少包层内具有沿轴向分布的气孔，所述气孔内具有量子点材料，且每段微结构光纤中的量子点材料所发射的荧光的波长不同。上述专利通过在一根光纤上分布安装多个不同反射波长的量子点，在检测时，能够将不同量子点的探测结果区分开，进而实现了分布式传感功能，但是该设计中，不仅制备各类量子点的过程比较繁琐，且各个波长不同的反射荧光与触发激光之间的区分比较困难，同时由于各个量子点的不同，使用同一波长激发光对其照射产生的反射效果不同，进而导致不同传感点位的测量结果难以定量，最终影响传感准确性。

基于此，本发明设计了一种基于脉冲光的分布式量子传感器及传感微结构制作方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明提出了一种基于脉冲光的分布式量子传感器及传感微结构制作方法，通过使用脉冲光源对不同位置的量子点进行触发，由于不同位置处量子点与光电探测器距离不同，导致不同位置处量子点处产生的反射荧光返回时间存在差异，通过该时间差将不同量子点的反射荧光进行区分，最终实现通过同一种量子与光纤结合实现分布式测量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于脉冲光的分布式量子传感器，包括有触发源、处理终端以及传感光纤，所述传感光纤上设有若干组探测区，每个探测区内均设置有量子点，所述触发源用于产生特制脉冲光源，并将特制脉冲光源耦合进入传感光纤中，量子点在特制脉冲光源的照射下产生应激荧光，不同位置处的量子点产生的应激荧光均沿着传感光纤返回并被处理终端统一接收，处理终端根据荧光接收时间的不同对采集的应激荧光进行分类，并对分类后的反馈信息进行分析处理。

优选的，所述特制脉冲光源为矩形脉冲光或高斯型脉冲光。

优选的，所述探测区为光纤微结构，若干组光纤微结构和连接光纤相连形成传感光纤，所述光纤微结构和连接光纤之间为可拆卸连接。

优选的，所述光纤微结构包括短光纤，所述短光纤中部设有裸光纤区，所述短光纤的两端连接有光纤连接头，所述量子点设在裸光纤区的纤芯内，所述裸光纤区的表面设置有一层反光镀膜层，所述裸光纤区的外围设有热缩保护套，所述热缩保护套内设有防弯棒。

优选的，所述裸光纤区的外表面由两侧向中部凹陷。

优选的，所述传感光纤为与微波传输线组成的双线结构，所述触发源还包含微波源，所述微波源用于产生微波，并通过微波传输线作用于量子点处，所述微波传输线包含线圈式波导和连接波导，若干组线圈式波导和连接波导通过波导连接器连接组成微波传输线，且线圈式波导一一对应套设在探测区的外围。

优选的，所述微波传输线远离触发源的一头连接有匹配阻抗。

优选的，所述微波为矩形脉冲微波或高斯型脉冲微波。

优选的，所述量子点为金刚石NV色心颗粒，所述金刚石NV色心颗粒的长为10nm～10um、宽为10nm～10um、高为10nm～10um，所述金刚石NV色心颗粒的色心浓度区间为0.1~100ppm。

一种光纤传感微结构的制作方法，包含以下步骤：

步骤一、制作短节光纤：取两小节光纤，通过光纤剥皮器将两光纤一侧的表皮剥除，裸露出光纤包层；

步骤二、包层刻蚀处理：通过激光设备对裸露包层的表层进行刻蚀，使得裸露的包层部分呈锥状；

步骤三、量子点安装：制备发光量子点，并将发光量子点设置在其中一个小节光纤裸侧端的纤芯处；

步骤四、光纤熔接：通过光纤熔接器将两个小节光纤的锥状裸侧端熔接，使二者连为一体；

步骤五、镀膜处理：通过镀膜设备在裸露的锥状包层表面镀一层反光膜；

步骤六、连接热缩管：取一个内部含有不锈钢棒和热熔胶的热缩管，将其套在裸露包层的外围，再通过加热器对热缩管进行加热收缩处理；

步骤七、辅件安装：冷却后，将光纤连接头安装到光纤端部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、相比于现有技术，本发明利用同一种量子点即可实现一根载体光纤的分布式传感，其成本更低、生产更容易、反射荧光更容易与触发光过滤区分，且由于采用同一种量子点，本发明可使用特定波长的触发光，实现所有量子点高效触发，提高了测量准确性，同时，采用同一种量子点进行测量，测量方式和标准是统一的，使得测量结果更便于计算；

2、本发明考虑到实际使用时，要根据现场情况确定传感位置，因而设计了光纤微结构和连接光纤，该设计可以通过组装改变测量点的位置，大大提高了设备的适用性；

3、本发明对传感微结构进行了改进设计，可以有效减少应激光以及触发光的无效损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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他的附图。

图1为本发明中量子光纤传感器的结构示意图；

图2为实施例一中光纤微结构的结构示意图；

图3为实施例一中光纤微结构的光路分析示意图；

图4为实施例一中传感光纤的结构示意图；

图5为实施例二中带有线圈式波导的光纤微结构示意图；

图6为实施例二中带有微波传输线的传感光纤结构示意图；

图7为图6中A处放大示意图；

图8为实施例二中特制脉冲光源与特制脉冲微波的波形对比示意图；

图9为本发明中传感微结构制作方法的流程图；

图10为本发明制作方法中经步骤二后的短节光纤形态示意图；

图11为实施例三中处理终端对荧光信息的归类分析图。

附图标记如下：

1-触发源，2-处理终端，3-传感光纤，4-线圈式波导，41-波导连接器，5-连接波导，6-量子点，7-阻抗，10-激光源，11-声光调制器，12-双色片，13-光纤耦合器，14-微波发生器，15-微波开关，16-微波放大器，20-滤波片，21-光电探测器，22-锁相放大器，23-计算机，31-连接光纤，32-光纤微结构，321-短光纤，322-裸光纤区，323-光纤连接头，324-反光镀膜层，325-热缩保护套，326-防弯棒。

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作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。

实施例一

参见附图1，本实施例为一种基于脉冲光的分布式量子传感器，包括有触发源1、处理终端2以及传感光纤3，传感光纤3上设有若干组探测区，每个探测区内均设置有量子点6，本实施例中发光量子点选择为长宽高均为300nm且浓度为2ppm的含金刚石NV色心颗粒，触发源1用于产生特制脉冲光源，并将特制脉冲光源耦合进入传感光纤3中，量子点6在特制脉冲光源的照射下产生应激荧光，不同位置处的量子点6产生的应激荧光均沿着传感光纤3返回并被处理终端2统一接收，处理终端2根据荧光接收时间的不同对采集的应激荧光进行分类，并对分类后的反馈信息进行分析处理。

其中，触发源1包括有激光源10、声光调制器11、双色片12以及光纤耦合器13，处理终端2包括滤波片20、光电探测器21、锁相放大器22以及计算机23，本例中激光源10产生532nm的绿色触发激光，经过声光调制器11按指定程序调制为矩形脉冲光，脉冲光经双色片12反射后再经过光纤耦合器13后进入传感光纤3中，金刚石NV色心经过脉冲光照射产生红色的荧光，部分红色荧光沿着原光路返回，红色在遇到双色片12时直接透过，并经过滤波片20再次过滤后被光电探测器21接收光电探测器21将接收的荧光信号转化为电信号后传入锁相放大器22中，锁相放大器22将接收的电信号进行过滤放大后传入计算机23中进行最终处理。

在本例中，如附图4所示，探测区为光纤微结构32，若干组光纤微结构32和连接光纤31相连形成传感光纤3，光纤微结构32和连接光纤31之间为可拆卸连接，此种结构能够改变探测区位置以及数量，在实际检测时，能够很好满足检测需求。

进一步的，参见附图2，光纤微结构32包括短光纤321，短光纤321中部设有裸光纤区322，短光纤321的两端连接有光纤连接头323，量子点6设在裸光纤区322的纤芯内，裸光纤区322的表面设置有一层反光镀膜层324，裸光纤区322的外围设有热缩保护套325，热缩保护套325内设有防弯棒326，其材质可为不锈钢捧、石英棒或陶瓷棒，其功能是避免探测区的光纤在使用时弯曲，这样会减少触发光的损耗；我们知道，NV色心产生的荧光是朝向各个方向的，而在光纤中传输光是要满足全反射条件的，即要满足入射角大于全反射临界角，而NV色心产生的荧光角度必然有一部分是不满足该条件的，即会有部分红色荧光在裸光纤区322向外泄漏，导致处理终端2采集红色荧光的效率较低，为了提高红光的采集效率，本发明在裸光纤区322的表面设置有一层反光镀膜层324，优选为银膜，通过该层膜能够对透出裸光纤区322的红光进行镜面反射，使其再次进入纤芯中，经过镜面反射的红光会有部分重新满足全反射条件，进而实现对红光的二次收集，同样的，532nm绿光在照射到金刚石NV色心颗粒时，会因为其阻挡作用产生不同方向的散射绿光，部分该散射绿光同样会透过裸光纤区322造成浪费，反光镀膜层324同样对该部分绿光起到二次收集的效果。

基于前述考虑，为了提高反光镀膜层324的二次收集能力，本例提供一种优选设计，即裸光纤区322的外表面由两侧向中部凹陷，具体效果参见附图3，图中量子点6产生红色荧光，部分红色荧光在纤芯-包层界面的入射角α₁小于全反射临界角，该部分荧光折射进入包层中，此时折射的荧光与水平方向的夹角为β₁，该部分荧光在反光镀膜层324处进行反射，由于反光镀膜层324呈凹弧面型，红色荧光经过其反射后与水平方向的夹角β₂，且本领域技术人员知晓，夹角β₂大于β₁，随后荧光穿过纤芯-包层界面进入纤芯中，经过折射后进入纤芯内的红光与竖直方向的夹角为α₂（即入射角），由光学基础知识可知，α₂大于α₁，部分经过放大的入射角α₂大于光纤的全反射临界角，即可在纤芯中进行传输，根据该原理可知道，将裸光纤区322的外表面设计为由两侧向中部凹陷的结构，能够提高应激光（即反射的红色荧光）的传输效果，同理，其对触发光（即532nm绿光）具备同样效果。

工作原理：本实施例通过使用特制的脉冲触发光，对不同位置的量子点6进行触发，由于不同量子点与光电探测器21距离不同，导致不同位置处量子点6产生的反射荧光返回时间存在差异其中，同一个量子点在脉冲光的照射下，会产生规律的间断的反射荧光，该荧光可被光电探测器探测收集并归类，通过该时间差将不同量子点的反射荧光进行区分该区分过程由光电探测器可实现，此处不赘述其具体原理，最终实现通过同一种量子点实现分布式光纤传感测量。

实施例二

考虑到如前述采用全光学法进行测量得出的数据准确度不够高全光学法特点是探测区间大，但是探测精度稍低，本实施例基于光测磁共振技术(ODMR)，在实施例一的基础上增设了微波部分，该技术可进一步提高传感精确度；

如附图5和6所示，传感光纤3为与微波传输线组成的双线结构，触发源1还包含微波源，微波源由微波发生器14、微波开关15、微波放大器16，微波源用于产生微波，该微波既可以为连续微波也可是脉冲微波，在本例中，优选微波为矩形脉冲微波，且该矩形脉冲微波与特制脉冲光源相适应，微波传输线24将微波作用于量子点6处，微波传输线包含线圈式波导4和连接波导5，若干组线圈式波导4和连接波导5通过波导连接器41连接组成微波传输线，且线圈式波导4一一对应套设在探测区的外围，其中不同位置的线圈式波导4的卷绕圈数一致且不低于3圈。

更进一步，如附图7所示，微波传输线远离触发源1的一头连接有匹配阻抗7，其使得微波传输线满足匹配阻抗，从而使得发射的微波信号高效作用于量子点6，进而提高传感测量的准确度。

原理解释：本实施例基于光学探测磁共振技术(ODMR)，增设了微波传输线以及微波源，通过脉冲触发激光和脉冲调制微波协同作用于NV色心金刚石，二者波形可参见示意图8，触发光先完成对NV色心的极化，接着微波作用于极化后的NV色心上，用于操控其电子自旋，通过得到的各个量子点的OMDR谱，通过计算各个ODMR谱的中心频率，即可计算出各量子点处的部分外界物理量，进而实现环境因素的传感监测，实施例二相比于实施例一的检测方法，结合微波的检测方法的探测准确度更高。

实施例三

本实施例基于前述技术，设定一种简单的分布式量子光纤传感模型以便于理解处理终端如何进行荧光信息的分类，当然，这只是其中一种理想化模型，并不是对本方案的一种限制。

参见附图11，光纤上有等间距分布的四个量子点，即a、b、c以及d，脉冲光从左向右在光纤中传输，依次激发四个量子点，由于四个量子点与处理终端的光电探测器的距离是有差别的，因而量子点被光电探测器感知的时间是存在时间差的，在第一个脉冲光的刺激下，光电探测器记录的四个量子点的荧光信息分别为a1、b1、c1、以及d1，一个脉冲间隔之后，第二脉冲光继续刺激四个量子点，光电探测器第二次记录的四个量子点的荧光信息分别为a2、b2、c2、以及d2，同理，第三次采集的荧光信息分别为a3、b3、c3、以及d3，第四次···

处理终端对前述采集的信息进行归类，即a量子点的荧光信息包括{a1，a2，a3··}，b量子点的荧光信息包括{b1，b2，b3··}，c量子点的荧光信息包括{c1，c2，c3··}，d量子点的荧光信息包括{d1，d2，d3··}，然后再对每个量子点下的所有荧光信息进行综合处理分析，即可得传感检测结果。

实施例四

本实施例四针对前述分布式量子光纤传感器中的光纤微结构提出了一种关于光纤微结构的制作方法。

参见工艺流程图9，一种光纤传感微结构的制作方法，包含以下步骤：

步骤一、制作短节光纤：取两小节光纤，通过光纤剥皮器将两光纤一侧的表皮剥除，裸露出光纤包层；

步骤二、包层刻蚀处理：通过激光设备对裸露包层的表层进行刻蚀，使得裸露的包层部分呈锥状；

步骤三、量子点安装：制备发光量子点，并将发光量子点设置在其中一个小节光纤裸侧端的纤芯处；

步骤四、光纤熔接：通过光纤熔接器将两个小节光纤的锥状裸侧端熔接，使二者连为一体；

步骤五、镀膜处理：通过镀膜设备在裸露的锥状包层表面镀一层反光膜；

步骤六、加热热缩管：取一个内部含有不锈钢棒和热熔胶的热缩管，将其套在裸露包层的外围，再通过加热器对热缩管进行加热收缩处理；

步骤七、辅件安装：冷却后，将光纤连接头安装到光纤端部。

其中，步骤五中反光膜为银膜或金膜。

参见附图10，本实施例步骤二中所说的“包层部分呈锥状”，并非某种固定的形态尺寸，其泛指一头细一头粗的形状结构，其目的是改变光纤的入射角，提高全反射效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.基于脉冲光的分布式量子传感器，包括有触发源（1）、处理终端（2）以及传感光纤（3），其特征在于：所述传感光纤（3）上设有若干组探测区，每个探测区内均设置有量子点（6），所述触发源（1）用于产生特制脉冲光源，并将特制脉冲光源耦合进入传感光纤（3）中，量子点（6）在特制脉冲光源的照射下产生应激荧光，不同位置处的量子点（6）产生的应激荧光均沿着传感光纤（3）返回并被处理终端（2）统一接收，处理终端（2）根据荧光接收时间的不同对采集的应激荧光进行分类，并对分类后的反馈信息进行分析处理；

所述探测区为光纤微结构（32），所述光纤微结构（32）包括短光纤（321），所述短光纤（321）中部设有裸光纤区（322），所述量子点（6）设在裸光纤区（322）的纤芯内，所述裸光纤区（322）的外表面由两侧向中部凹陷。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲光的分布式量子传感器，其特征在于：所述特制脉冲光源为矩形脉冲光或高斯型脉冲光。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲光的分布式量子传感器，其特征在于：若干组光纤微结构（32）和连接光纤（31）相连形成传感光纤（3），所述光纤微结构（32）和连接光纤（31）之间为可拆卸连接。

4.根据权利要求3所述的基于脉冲光的分布式量子传感器，其特征在于：所述短光纤（321）的两端连接有光纤连接头（323），所述裸光纤区（322）的表面设置有一层反光镀膜层（324），所述裸光纤区（322）的外围设有热缩保护套（325），所述热缩保护套（325）内设有防弯棒（326）。

5.根据权利要求1所述的基于脉冲光的分布式量子传感器，其特征在于：所述传感光纤（3）为与微波传输线组成的双线结构，所述触发源（1）还包含微波源，所述微波源用于产生微波，并通过微波传输线（24）作用于量子点（6）处，所述微波传输线包含线圈式波导（4）和连接波导（5），若干组线圈式波导（4）和连接波导（5）通过波导连接器（41）连接组成微波传输线，且线圈式波导（4）一一对应套设在探测区的外围。

6.根据权利要求5所述的基于脉冲光的分布式量子传感器，其特征在于：所述微波传输线远离触发源（1）的一头连接有匹配阻抗（7）。

7.根据权利要求5所述的基于脉冲光的分布式量子传感器，其特征在于：所述微波为与脉冲光源对应的特制矩形脉冲微波或高斯型脉冲微波。

8.根据权利要求1所述的基于脉冲光的分布式量子传感器，其特征在于：所述量子点（6）为金刚石NV色心颗粒，所述金刚石NV色心颗粒的长为10nm～10um、宽为10nm～10um、高为10nm～10um，所述金刚石NV色心颗粒的色心浓度区间为0.1~100ppm。

9.一种光纤传感微结构的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一、制作短节光纤：取两小节光纤，通过光纤剥皮器将两光纤一侧的表皮剥除，裸露出光纤包层；

步骤二、包层刻蚀处理：通过激光设备对裸露包层的表层进行刻蚀，使得裸露的包层部分呈锥状；

步骤三、量子点安装：制备发光量子点，并将发光量子点设置在其中一个小节光纤裸侧端的纤芯处；

步骤四、光纤熔接：通过光纤熔接器将两个小节光纤的锥状裸侧端熔接，使二者连为一体；

步骤五、镀膜处理：通过镀膜设备在裸露的锥状包层表面镀一层反光膜；

步骤六、连接热缩管：取一个内部含有不锈钢棒和热熔胶的热缩管，将其套在裸露包层的外围，再通过加热器对热缩管进行加热收缩处理；

步骤七、辅件安装：冷却后，将光纤连接头安装到光纤端部。

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