基于热耦合增强效应的光纤传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了基于热耦合增强效应的光纤传感器及其制备方法，基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器包括：具有裸露出纤芯的微结构光纤以及对微结构光纤裸露区加热的加热设备，微结构光纤裸露区表面依次沉积有金属颗粒层(101)、热敏材料层(102)和敏感层(103)，金属颗粒层(101)用于吸收放大倏逝波，倏逝波为光纤中传播的电磁波在微结构光纤处产生的倏逝波，敏感层(103)用于检测待测信号。本发明专利技术提出的上述光纤传感器具有敏感度高的特点。

Optical fiber sensor based on thermal coupling enhancement effect and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
基于热耦合增强效应的光纤传感器及其制备方法
本专利技术涉及光纤传感
，特别是涉及基于热耦合增强效应的光纤传感器及其制备方法。
技术介绍
光纤传感器具有体积小、易弯曲、抗电磁干扰等优点，是能够实现灵巧结构的传感器，具有重要的研究、开发和应用价值。随着光纤加工技术的日渐成熟，光纤在传感领域的应用越来越广泛，表面局部抛磨光纤的微结构光纤或者采用拉锥形成的光纤结构，为新型光纤传感器件的研究和制作提供了新的手段和方法。因其具有独特的光学特性、低成本及可制成全光纤器件等特点，越来越受到研究者们的关注。然而，由于光纤本身对某些化学或生物的参量和物质属性不敏感，所以无法直接利用光纤对这类物质或参量进行检测。因此，有必要研究敏感材料的设计和制备，将敏感材料和光纤附着在一起，光纤本身只起信号传输的功能，即“传”而不感，附着在光纤上的材料作为敏感的媒介起着敏感响应的功能，即“感”而不传。通常在光纤端面制备敏感膜，敏感膜折射率受环境(目标探测物)的影响而改变，从而以反射功率变化的形式感应环境的改变，也就是所谓的基于微透镜原理的端面反射型光纤传感器。这种技术方案中，敏感膜材料对微量目标探测物的响应往往是微小的。
技术实现思路
针对上述技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于热耦合增强效应的光纤传感器及其制备方法，该传感器具有敏感度高的特点。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器，包括：具有裸露出纤芯的微结构光纤以及对所述微结构光纤裸露区加热的加热设备，所述微结构光纤裸露区表面依次沉积有金属颗粒层、热敏材料层和敏感层；所述金属颗粒层用于吸收放大倏逝波，所述倏逝波为光纤中传播的电磁波在所述微结构光纤处产生的倏逝波；所述敏感层用于检测待测信号。可选的，所述微结构光纤为包覆层局部剥除裸露出纤芯的光纤。可选的，所述敏感层的材料为气敏材料、压敏材料、生物传感材料或紫外探测材料。基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器制备方法，所述制备方法包括；在微结构光纤裸露区表面沉积金属颗粒层，所述金属颗粒层厚度为5～100mm；在所述金属颗粒层沉积一层热敏材料，所述热敏材料层厚度为10～500nm；在所述光敏材料上沉积一层敏感材料，所述敏感层厚度为10～150nm，所述敏感材料用于检测待测信号。可选的，在所述在微结构光纤裸露区表面沉积金属颗粒层，所述金属颗粒层厚度为5～100mm之前，还包括使用物理或化学法将光纤的局部包覆层剥除裸露出纤芯，获得具有裸露出纤芯的微结构光纤。基于热耦合增强效应的拉锥结构光纤传感器，包括：具有裸露出纤芯的光纤端头以及对所述光纤端头加热的加热设备，所述光纤端头表面沉积有金属颗粒层，所述金属颗粒层呈锥状，所述金属颗粒层与所述纤芯接触，所述金属颗粒层表面依次包覆有热敏材料层和敏感层；所述金属颗粒层用于吸收放大倏逝波，所述倏逝波为光纤中传播的电磁波在所述光纤端头处产生的倏逝波；所述敏感层用于检测待测信号。可选的，所述敏感层的材料为气敏材料、压敏材料、生物传感材料或紫外探测材料。基于热耦合增强效应的拉锥结构光纤传感器制备方法，所述制备方法包括；在光纤端头表面沉积金属颗粒层，所述金属颗粒层呈锥状，所述金属颗粒层与所述纤芯接触；在所述金属颗粒层表面沉积一层热敏材料，所述热敏材料层包覆于所述金属颗粒层；在所述热敏材料上沉积一层敏感材料，所述敏感层包覆于所述热敏材料层，所述敏感材料用于检测待测信号。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提出的光纤传感器采用加热设备对微结构光纤裸露区加热，热敏材料层中载流子浓度在加热条件下有显著的变化，与此同时，微结构光纤中传播的电磁波在金属颗粒与纤芯界面处形成表面等离子激元共振(SPR)，提高光纤表面的倏逝波，从而提高光纤传感器对待测信号响应的敏感度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器的结构示意图；图2为本专利技术实施例基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器制备方法的流程图；图3为本专利技术实施例基于热耦合增强效应的拉锥结构光纤传感器的结构示意图；图4为本专利技术实施例基于热耦合增强效应的拉锥结构光纤传感器制备方法的流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的目的是提供一种基于热耦合增强效应的光纤传感器及其制备方法，该传感器具有敏感度高的特点。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。实施例1：图1为本专利技术实施例基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器的结构示意图，如图1所示，基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器，包括：具有裸露出纤芯的微结构光纤以及对所述微结构光纤裸露区加热的加热设备，所述微结构光纤裸露区表面依次沉积有金属颗粒层101、热敏材料层102和敏感层103；所述金属颗粒层101用于吸收放大倏逝波，所述倏逝波为光纤中传播的电磁波在所述微结构光纤处产生的倏逝波；所述敏感层103用于检测待测信号。具体的，所述光纤为单模光纤或多模光纤。所述微结构光纤为包覆层106局部剥除裸露出纤芯105的光纤。所述微结构光纤的结构为D形的凹槽、U形的凹槽或锥形尖端。所述敏感层103材料为气敏材料、压敏材料、生物传感材料或紫外探测材料，但不局限于这些材料，应用于生物传感、压力传感、紫外探测、污染物检测、微距测量等多种应用场合。若敏感层103材料为气敏材料，能对气体进行检测；若敏感层103材料为压敏材料，能对压力进行检测；若敏感层103材料为生物传感材料，能对生物进行检测；若敏感层103材料为紫外探测材料，能对紫外光进行检测。具体的，气敏材料是金属氧化物(如氧化锡、氧化锌、氧化钨、氧化铁、氧化钛等其中的一种金属氧化物或其中多种金属合金的氧化物)、石墨烯及其衍生物、二维材料(如锑烯、黑磷、二硫化钼等)。压敏材料是硅、锗、金属氧化物等。生物传感材料采用酶、微生物、抗原或细胞等与生物有关连物质修饰后的材料。紫外探测材料是碳化硅、氮化物、氧化物等。污染物检测材料：生活中的有毒、有害气体均可作为目标检测物。微距测量材料：含铁、钴、镍等磁性材料。所述加热设备采用红外光源，所述红外光源产生红外辐射以对所述微结构光纤裸露区进行加热。所述金属颗粒层101材料为Au、Pt、Ag、Cu中至少一种，具体的所述金属颗粒层101材料为Au、Pt、Ag、Cu其中一种金属单质或其中多种的合金。所述热敏材料层102材料为含Mn、Co、Ni、Cu等其中一种金属的氧化物或含有其中多种金属合金的氧化物，本实施例中热敏材料为NTC热敏电阻材料。所述沉积采用化学气相沉积、物理气相沉积或溶液法沉积。本专利技术还提供了一种基于热耦合增强效应的侧抛结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器，其特征在于，包括：具有裸露出纤芯的微结构光纤以及对所述微结构光纤裸露区加热的加热设备，所述微结构光纤裸露区表面依次沉积有金属颗粒层(101)、热敏材料层(102)和敏感层(103)；所述金属颗粒层(101)用于吸收放大倏逝波，所述倏逝波为光纤中传播的电磁波在所述微结构光纤处产生的倏逝波；所述敏感层(103)用于检测待测信号。

【技术特征摘要】
1.基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器，其特征在于，包括：具有裸露出纤芯的微结构光纤以及对所述微结构光纤裸露区加热的加热设备，所述微结构光纤裸露区表面依次沉积有金属颗粒层(101)、热敏材料层(102)和敏感层(103)；所述金属颗粒层(101)用于吸收放大倏逝波，所述倏逝波为光纤中传播的电磁波在所述微结构光纤处产生的倏逝波；所述敏感层(103)用于检测待测信号。2.根据权利要求1所述的基于热耦合增强效应的侧结构抛光纤传感器，其特征在于，所述微结构光纤为包覆层局部剥除裸露出纤芯的光纤。3.根据权利要求1所述的基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器，其特征在于，所述敏感层(103)的材料为气敏材料、压敏材料、生物传感材料或紫外探测材料。4.基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器制备方法，其特征在于，所述制备方法包括；在微结构光纤裸露区表面沉积金属颗粒层，所述金属颗粒层厚度为5～100mm；在所述金属颗粒层沉积一层热敏材料，所述热敏材料层厚度为10～500nm；在所述光敏材料上沉积一层敏感材料，所述敏感层厚度为10～150nm，所述敏感材料用于检测待测信号。5.根据权利要求4所述的基于热耦合增强效应的侧抛结构光纤传感器制备方法，其特征在于，在所述在微结构光纤裸露区表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红成，张耿，黄晓园，郑华，张绍强，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东,44