一种基于光纤的FP腔折射率传感器及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤的FP腔折射率传感器，包括单模光纤以及固定在单模光纤端面上的3D微纳结构，该3D微纳结构包括：正对单模光纤端面设置的腔板；将腔板与单模光纤端面相互固定的一个或多个连接柱；所述单模光纤端面和所述腔板之间形成镂空的液体腔。所述折射率传感器是采用双光子聚合3D打印技术在光纤端面直接制备而成，该技术制备流程简单且加工精度高，结合高性能光刻胶，所制备的微纳结构具有极低的表面粗糙度(一般低于40nm)。此外，经过充足时间的紫(外)光固化，传感器也兼有较高的机械强度。总之，本发明专利技术提供的基于光纤的FP腔折射率传感器可同时兼顾制备流程简单、表面光滑和机械强度高等优点。光滑和机械强度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤的FP腔折射率传感器及系统


[0001]本专利技术涉及光纤传感器
，尤其涉及一种基于光纤的FP腔折射率传感器及系统。

技术介绍

[0002]基于光纤的法布里
‑
珀罗(FP)腔折射率传感器具有结构紧凑、灵敏度高、抗环境(温度、电磁场等)干扰、线性响应等优点，已经被广泛应用于生物化学、药物分析和环境监测等领域。
[0003]目前，光纤FP腔折射率传感器主要是基于飞秒激光烧蚀、聚焦离子束刻蚀和光纤拼接等方法制备。其中采用飞秒激光烧蚀制备的FP腔通常表面粗糙度较差，从而影响表面光学反射(文献1：Optical fiber Fabry
‑
Perot interferometer cavity fabricated by femtosecond laser micromachining and fusion splicing for refractive index sensing，C.R.Liao,T.Y.Hu,and D.N.Wang*，24September 2012/Vol.20,No.20/OPTICS EXPRESS 22813)。当反射率降低时，会降低FP腔的品质因子(Q
‑
factor)，降低检测精度。
[0004]聚焦离子束刻蚀(Simultaneous measurement of temperature and refractive index using focused ion beam milled Fabry/>‑
Perot cavities in optical fiber micro
‑
tips，Ricardo M.Andr
é
,1,2,*Stephen C.Warren
‑
Smith,2Martin Becker,2Jan Dellith,2Manfred Rothhardt,2M.I.Zibaii,3H.Latifi,3Manuel B.Marques,1Hartmut Bartelt,2and Orlando27Jun 2016|Vol.24,No.13|DOI:10.1364/OE.24.014053|OPTICS EXPRESS 14053)虽然可以加工出较为光滑的FP腔结构，但是为了降低刻蚀时间，光纤直径通常需要被拉锥至低于40μm，而极小的光纤直径显著降低了传感器的机械强度，使其容易折断。
[0005]光纤拼接(Temperature
‑
insensitive refractive index sensing by use of micro Fabry
–
P
é
rot cavity based on simplified hollow
‑
core photonic crystal fiber，Ying Wang,1,2D.N.Wang,1,*C.R.Liao,1Tianyi Hu,1Jiangtao Guo,3 and Huifeng Wei3，February 1,2013/Vol.38,No.3/OPTICS LETTERS 269)是指将不同种类光纤直接或错位拼接在一起，在两个拼接界面之间便形成了FP腔结构。然而，这种制备方法通常需要进行多次光纤切割和拼接操作，工艺复杂且非常耗时。
[0006]专利文献CN101464408A公开了一种光纤法珀折射率传感器及其制造方法，该文献中，光纤法珀折射率传感器包括光纤和被接光纤，所述光纤和被接光纤连接在一起，并形成FP腔，在所述光纤的外端面有微孔，所述微孔与所述FP腔相通。该方法通过激光加工FP腔，实际上是将飞秒激光烧蚀和光纤拼接两种工艺相结合，所以该文献方法存在飞秒激光烧蚀和光纤拼接两种工艺本身存在的弊端。
[0007]因此，亟需发展一种新的光纤FP腔折射率传感器制备方法，以解决现有的该类传感器无法同时兼顾制备简单、表面光滑和高机械强度的问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供了一种基于光纤的FP腔折射率传感器，该传感器表面光滑，机械强度好，并且检测灵敏度高。
[0009]为了解决上述问题，本专利技术采用了如下技术方案：
[0010]一种基于光纤的FP腔折射率传感器，包括单模光纤以及固定在单模光纤端面上的3D微纳结构，该3D微纳结构包括：
[0011]正对单模光纤端面设置的腔板；
[0012]将腔板与单模光纤端面相互固定的一个或多个连接柱；
[0013]所述单模光纤端面和所述腔板之间形成镂空的液体腔。
[0014]所述液体腔用于容纳待测液体，即FP腔。
[0015]作为优选，所述3D微纳结构还包括固定在单模光纤端面上的基座，该基座中心设有光束避让孔；所述腔板利用所述连接柱与所述基座相互固定。
[0016]作为优选，所述3D微纳结构为一体结构。
[0017]作为优选，所述3D微纳结构利用双光子聚合3D打印工艺制备得到。
[0018]作为优选，所述基座为圆环基座，所述腔板为圆盘结构，所述腔板、基座与单模光纤端面中心同轴设置。
[0019]作为一种优选方案，一种基于光纤的FP腔折射率传感器，该折射率传感器包括：单模光纤和3D微纳结构；
[0020]所述3D微纳结构包括圆环基座、连接柱和圆盘结构，所述连接柱用于连接圆环基座和圆盘结构，所述单模光纤端面和所述圆盘结构之间形成所述液体腔。
[0021]作为优选，所述连接柱为多个时，多个连接柱沿圆环基座周向均匀布置。
[0022]作为优选，所述圆环基座内圆直径大于单模光纤的模场直径，外圆直径小于等于单模光纤的外径；所述连接柱长度为20～100μm；所述圆盘结构直径大于等于单模光纤的模场直径。
[0023]本专利技术所述3D微纳结构包括圆环基座、连接柱和圆盘结构，其中圆环基座内圆直径为30～50μm，外圆直径为70～90μm，厚度为2～8μm，所述连接柱长度为20～100μm，所述圆盘结构直径为70～90μm，厚度为2～8μm。
[0024]作为实验案例，所述圆环基座内圆直径为40μm，外圆直径为80μm，厚度为5μm，所述连接柱长度为45μm，所述圆盘结构直径为80μm，厚度为5μm。
[0025]作为优选，所述液体腔沿光束传播方向的高度(一般基座厚度加上连接柱高度)为30～90μm。进一步优选为40～60μm。
[0026]作为优选，所述连接柱沿圆环基座周向宽度总和小于其所在圆周周长的15％。比如可以为5～40μm等。采用该技术方案，可有效提高所述液体腔的镂空程度，实现待检测液体快速进入到液体腔，提高检测效率。
[0027]本专利技术还提供了一种基于光纤的FP腔折射率传感系统，包括：可调谐激光器、光纤连接器、光功率计和上述任一项所述的基于光纤的FP腔折射率传感器；所述可调谐激光器与所述光纤连接器的第一端连接，所述光纤连接器的第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤的FP腔折射率传感器，其特征在于，包括单模光纤以及固定在单模光纤端面上的3D微纳结构，该3D微纳结构包括：正对单模光纤端面设置的腔板；将腔板与单模光纤端面相互固定的一个或多个连接柱；所述单模光纤端面和所述腔板之间形成镂空的液体腔。2.根据权利要求1所述的基于光纤的FP腔折射率传感器，其特征在于，所述3D微纳结构还包括固定在单模光纤端面上的基座，该基座中心设有光束避让孔；所述腔板利用所述连接柱与所述基座相互固定。3.根据权利要求1所述的基于光纤的FP腔折射率传感器，其特征在于，所述3D微纳结构为一体结构。4.根据权利要求1所述的基于光纤的FP腔折射率传感器，其特征在于，所述3D微纳结构利用双光子聚合3D打印工艺制备得到。5.根据权利要求2所述的基于光纤的FP腔折射率传感器，其特征在于，所述基座为圆环基座，所述腔板为圆盘结构，所述腔板、基座与单模光纤端面中心同轴设置。6.根据权利要求5所述的基于光纤的FP腔折射率传感器，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹思敏，尚兴港，王宁，仇旻，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：