CN115825005B - 一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法，属于光纤传感技术领域。双芯光纤与毛细管光纤通过光纤粘合剂垂直组合在一起，激光通过双芯光纤的一个纤芯后，光场在双芯光纤的末端经过光纤粘合剂后直接耦合到毛细管光纤内，在其毛细管壁内发生全反射形成倏逝波，最终回到双芯光纤对称的另一纤芯内，由于倏逝波对外界折射率变化敏感，从而达到精确测算样本液体的折射率的目的。本发明一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法具有样本液体需求量小、损耗低、构造简单、器件体积小、灵敏度高、易于集成和低成本制造的优点。

Description

一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法。

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微流控芯片快速测算液体折射率的方法，具有液体样本需求量小、损耗低、器件体积小、灵敏度高、稳定性高、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微流控芯片快速测算液体折射率的方法，

步骤一：将一段毛细管光纤嵌入到微流控芯片的通道内；

步骤二：将双芯光纤的末端涂抹光纤粘合剂后，将其放置在毛细管光纤的外壁上固定；

步骤三：一束激光耦合到双芯光纤的一个纤芯内，在双芯光纤的末端产生强烈的倏逝波，经过光纤粘合剂后，耦合到毛细管光纤中，并在毛细管光纤的内壁进行全反射，从而耦合到双芯光纤的另一纤芯中；

由于倏逝波对折射率的变化十分敏感，倏逝波会随着毛细管光纤的纤芯内液体样本折射率的改变而发生改变，导致其谐振峰谱线的谐振峰发生漂移，通过测算前后谐振峰位置的差异，推算出液体样本折射率。

因此，本发明采用上述一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法，具有以下有益效果：

1.本发明利用微流控芯片的特点，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，同时可以快速测算折射率值。

2.由于其纳米级的结构，体积小，易于集成和低成本的批发制造。

3.整个装置构造简单，可重复性高，对周围环境的要求较低。

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为一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法原理示意图；

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；2、纤芯；3、毛细管光纤；4、毛细管光纤纤芯；5、光纤粘合剂；6、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。

毛细管光纤3的内部需要满足全反射条件。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，激光才会在毛细管光纤3的内壁上发生全反射，从而将光传送到双芯光纤1的另一个纤芯2内。

双芯光纤1由两个直径为9μm的芯组成，其包层直径为125μm，两个纤芯2之间的距离为62.5μm。包层的折射率为1.4575，纤芯的折射率为1.4626。毛细管光纤3选用的石英毛细管光纤，其外径为150μm，内径为90μm。

一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法，具体步骤如下：

步骤一：将一段毛细管光纤3嵌入到微流控芯片6的通道内。

步骤二：将双芯光纤1的末端涂抹光纤粘合剂5后，将其放置在毛细管光纤3的外壁上固定。

步骤三：一束激光耦合到双芯光纤1的一个纤芯2内，在双芯光纤1的末端产生强烈的倏逝波，经过光纤粘合剂5后，耦合到毛细管光纤3中，并在毛细管光纤3的内壁进行全反射，从而耦合到双芯光纤1的另一纤芯2中。

由于倏逝波对折射率的变化十分敏感，倏逝波会随着毛细管光纤纤芯4内液体样本折射率的改变而发生改变，导致其谐振峰谱线的谐振峰发生漂移，通过测算前后谐振峰位置的差异，推算出液体样本折射率。

本发明将双芯光纤1与毛细管光纤3通过光纤粘合剂5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3中，利用倏逝波对环境的敏感变化来测算液体折射率。不仅制作方法简单、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6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 (1)

1.一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法，其特征在于：

步骤一：将一段毛细管光纤嵌入到微流控芯片的通道内；

步骤二：将双芯光纤的末端涂抹光纤粘合剂后，将其放置在毛细管光纤的外壁上固定；

步骤三：一束激光耦合到双芯光纤的一个纤芯内，在双芯光纤的末端产生强烈的倏逝波，经过光纤粘合剂后，耦合到毛细管光纤中，并在毛细管光纤的内壁进行全反射，从而耦合到双芯光纤的另一纤芯中；

由于倏逝波对折射率的变化十分敏感，倏逝波会随着毛细管光纤的纤芯内液体样本折射率的改变而发生改变，导致其谐振峰谱线的谐振峰发生漂移，通过测算前后谐振峰位置的差异，推算出液体样本折射率。