CN115575353A - 一种基于回音壁模式的光纤折射率传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了本发明提供一种基于回音壁模式测量液体折射率传感器及测量方法，属于光纤传感技术领域。双芯光纤与毛细管光纤直接接触，双芯光纤的末端打磨成多个满足全反射定律的斜面，激光通过双芯光纤的斜面发生多次全反射，其产生的强倏逝波在双芯光纤的末端耦合到毛细管光纤内形成回音壁模式，对外界折射率变化敏感，达到精确测算样本液体的折射率的目的。本发明的一种基于回音壁模式的光纤折射率传感器及测量方法，具有液体样本需求量小，可内外层检测，损耗低，器件体积小，灵敏度高，可在线测量，易集成和低成本等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于回音壁模式的光纤折射率传感器及测量方法。
背景技术
折射率是液体的一个重要物理量，在生活和实验研究中都有着极其广泛的应用。通过借助液体的折射率，我们可以了解其浓度、光学性能、温度和分子运动状态等，是许多前沿研究的基础，因此液体折射率的测量与研究有着十分重要的意义。
基于光学谐振腔的液体折射率传感器是光学传感器的重要应用，它不仅克服了传统液体折射率传感器体积大、反应速度慢等缺点，同时具有易于器件集成化，实时探测，抗电磁干扰等特点。回音壁谐振腔的耦合方法一般是波导耦合、光纤内部耦合、拉锥光纤耦合方法等。波导耦合方法灵敏度高、可实现多参数测量，但是加工较为困难。光纤内部耦合方法稳定性好、灵敏度高，但是操作较为复杂。拉锥光纤耦合方法耦合效率极高，一般可达99％，但是十分脆弱，对环境要求较高。目前，最简单的耦合方式为光纤端直接耦合，无需复杂加工。
公开号为CN207198385U的一种基于微球的光纤全反射端式回音壁谐振器，在无芯光纤的弧形末端上直接粘连一颗微球，虽然整个装置制造简单，但是整体稳定性差，需要反复调试。
公开号为CN208283597U的一种基于微球的光纤腐蚀凹槽式回音壁谐振器。对光纤的全反射端进行腐蚀，从而形成凹槽，并将微球嵌入其中。整个装置虽稳定性得到很大提高，但是氢氟酸腐蚀光纤重复性较差，凹槽结构可控性一般，并且制作时有一定的危险性。
公开号为CN214584894U的一种基于微球回音壁模式的探针式光纤湿度传感器。该装置将微球嵌入毛细管光纤内，整个装置的稳定性进一步得到提升，但是仍需要进行多次调试，操作十分复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于回音壁模式的光纤折射率传感器及测量方法，具有液体样本需求量小，可内外层检测，损耗低，器件体积小，灵敏度高，可在线测量，易集成和低成本等优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于回音壁模式的光纤折射率传感器，包括双芯光纤和毛细管光纤，所述毛细管光纤的外表面与双芯光纤的全反射端垂直接触，双芯光纤和毛细管光纤通过倏逝场耦合的方式组合，双芯光纤的全反射端设置有多个斜面，斜面满足全反射定律，激光入射到全反射端时会发生全反射现象，双芯光纤的其中一个纤芯传输的激光在在满足全反射条件下在双芯光纤的斜面上发生多次全反射，全反射端全反射形成的倏逝波耦合到毛细管光纤中形成回音壁模式，并以在全反射端全反射返回到双芯光纤的另一纤芯中。
一种基于回音壁模式的光纤折射率测量方法，
步骤一：将一根双芯光纤的全反射端打磨出多个斜面，多个斜面的角度均满足全反射定律；
步骤二：在毛细管光纤且通入样本液体；
步骤三：将双芯光纤的全反射端与毛细管光纤直接垂直接触，在双芯光纤的其中一个纤芯输出检测激光，使得激光在双芯光纤的斜面上发生多次的全反射，最终在双芯光纤的全反射端以强倏逝波的形式耦合到毛细管光纤中形成回音壁模式，微流通道液体样品通过毛细管光纤影响回音壁模式，毛细管光纤出来的光经过双芯光纤的另一根纤芯后由光电探测器接收，通过对比谐振波长的前后变化测算液体样本折射率。
因此，本发明采用上述一种基于回音壁模式的光纤折射率传感器及测量方法，具有以下有益效果：
1.本发明只需少量的液体样本，无需对其进行破坏性的操作，减少了对液体样本的浪费，同时可以在线检测微流通道液体折射率值。
2.利用回音壁微腔的优点，该发明的品质因子高，测算的液体折射率值精度和准确度高。
3.采用直接耦合的方式，原理简单，操作难度低，无需反复调试，对试验环境的要求较低，同时其纳米级的结构，体积小，易于集成和低成本的批发制造。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为一种基于回音壁模式的光纤折射率传感器测量原理示意图；
图2为微流控芯片与毛细管光纤组合的示意图；
图3为光场仿真图。
附图标记
1、双芯光纤；11、纤芯；2、毛细管光纤；21、毛细管光纤纤芯；3、微流控芯片。
具体实施方式
实施例
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
一种基于回音壁模式的光纤折射率传感器包括双芯光纤1和毛细管光纤2毛细管光纤2采用石英毛细管光纤，选用的石英毛细管光纤的外径为150μm，内径为90μm。将石英毛细管光纤嵌入到微流控芯片3的通道中，毛细管光纤3的外表面与双芯光纤1的全反射端垂直接触，双芯光纤1和毛细管光纤2通过倏逝场耦合的方式组合，双芯光纤1的全反射端设置有多个斜面，斜面满足全反射定律。
双芯光纤1的全反射端需要满足全反射条件如下：
根据折射定律：
n0sinθ0＝n1sinθ1
得到θ1＞θ0，当入射角θ0增大时，折射角θ1也会随之增大，同时反射光线的强度随之增大，而折射光线的强度则随之减小。若入射角增大到θ2时，折射角θ1＝90°。此时折射光线掠过二介质的分界面，并且强度趋紧于零。当入射角θ0＞θ2时，此时没有折射光线，只有反射光线。由此根据折射定律，我们得到：
sinθ2＝n1/n0
只有入射角大于临界角时，激光才会在双芯光纤的端面上发生全反射，从而在双芯光纤1的末端产生倏逝波。
毛细管光纤2作为谐振腔，双芯光纤1的激光通过倏逝波的形式耦合到微管谐振腔中。当光波沿毛细管光纤2微管腔的内壁传播一周的光程为波长的整数倍时：
2πRneff＝mλm
此时，谐振波长为：λm＝neff2πR/m
其中，neff为微管腔的有效折射率，m为角向模数,R为微管谐振腔的半径。只有满足谐振条件的光波才会沿着毛细管光纤2腔内壁不断发生全反射从而形成相干谐振。
双芯光纤1内设置有两个直径为9μm的纤芯，其包层直径为125μm，两个纤芯11之间的距离为62.5μm。包层的折射率为1.4575，纤芯11的折射率为1.4626。以18°和54°的角度对双芯光纤1进行了两次研磨，使其入射角为72°，使激光在双芯光纤1的全反射端处实现全内反射，两次研磨后，端面的直径为18μm。
激光入射到全反射端时会发生全反射现象，双芯光纤1的其中一个纤芯11传输的激光在在满足全反射条件下在双芯光纤1的斜面上发生多次全反射，全反射端全反射形成的倏逝波耦合到毛细管光纤2中形成回音壁模式，并以在全反射端全反射返回到双芯光纤1的另一纤芯11中。
一种基于回音壁模式的光纤折射率测量方法：
步骤一：将一根双芯光纤1的全反射端打磨出多个斜面，多个斜面的角度均满足全反射定律。
步骤二：在微流控芯片3内嵌入一段毛细管光纤2且通入样本液体；
步骤三：将双芯光纤1的全反射端与毛细管光纤2直接垂直接触，在双芯光纤1的其中一个纤芯11输出检测激光，使得激光在双芯光纤1的斜面上发生多次的全反射，最终在双芯光纤1的全反射端以强倏逝波的形式耦合到毛细管光纤2中形成回音壁模式，微流通道液体样品通过毛细管光纤2影响回音壁模式，由于倏逝波对折射率的变化十分敏感，倏逝波会随着石英毛细管光纤的毛细管光纤纤芯21内液体样本折射率的改变而发生改变，毛细管光纤2出来的光经过双芯光纤1的另一根纤芯11后由光电探测器接收，通过对比谐振波长的前后变化测算液体样本折射率。
本发明将双芯光纤1与毛细管光纤2直接相接，入射到双芯光纤1的光所产生的倏逝波直接耦合到毛细管光纤2中，利用倏逝波对环境的敏感变化来测算液体折射率。不仅方法简单、可重复性强，稳定性高，对环境的要求较小，同时与微流控芯片结合使得该装置所需的液体样本量小，灵敏度更高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种基于回音壁模式的光纤折射率传感器，其特征在于：包括双芯光纤和毛细管光纤，所述毛细管光纤的外表面与双芯光纤的全反射端垂直接触，双芯光纤和毛细管光纤通过倏逝场耦合的方式组合，双芯光纤的全反射端设置有多个斜面，斜面满足全反射定律，激光入射到全反射端时会发生全反射现象，双芯光纤的其中一个纤芯传输的激光在在满足全反射条件下在双芯光纤的斜面上发生多次全反射，全反射端全反射形成的倏逝波耦合到毛细管光纤中形成回音壁模式，并以在全反射端全反射返回到双芯光纤的另一纤芯中。
2.根据权利要求1所述的一种基于回音壁模式的光纤折射率测量方法，其特征在于：
步骤一：将一根双芯光纤的全反射端打磨出多个斜面，多个斜面的角度均满足全反射定律；
步骤二：在毛细管光纤且通入样本液体；
步骤三：将双芯光纤的全反射端与毛细管光纤直接垂直接触，在双芯光纤的其中一个纤芯输出检测激光，使得激光在双芯光纤的斜面上发生多次的全反射，最终在双芯光纤的全反射端以强倏逝波的形式耦合到毛细管光纤中形成回音壁模式，微流通道液体样品通过毛细管光纤影响回音壁模式，毛细管光纤出来的光经过双芯光纤的另一根纤芯后由光电探测器接收，通过对比谐振波长的前后变化测算液体样本折射率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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