本發(fā)明涉及光纖技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及光纖微泡法珀傳感器及其傳感方法。

背景技術(shù)：

光纖傳感與傳統(tǒng)的傳感方式相比具有很多不可替代的優(yōu)勢(shì)。光纖傳感器靈敏度高，抗電磁干擾，電絕緣，耐高壓，耐腐蝕，適用于惡劣環(huán)境。并且，光纖傳感器還具有質(zhì)量輕，體積小，可彎曲纏繞，成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在石油化工、電力、醫(yī)學(xué)、土木工程等諸多領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。在眾多光纖傳感器結(jié)構(gòu)中，光纖法珀腔傳感器更是由于其結(jié)構(gòu)簡單，線性度好等優(yōu)良特性，受到各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。光纖法珀腔傳感器依據(jù)的是光學(xué)法珀干涉原理，其核心結(jié)構(gòu)是在光纖上引入光學(xué)諧振腔，它是由兩個(gè)反射系數(shù)分別為R₁和R₂、具有一定間距d的反射面組成的；當(dāng)被傳感量引起光學(xué)諧振腔的變化，使R₁，R₂或d發(fā)生變化，即會(huì)引起干涉結(jié)果發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被傳感量的探測(cè)。因此，光纖法珀腔傳感器具有響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)范圍大，等優(yōu)勢(shì)。

光纖法珀腔傳感器主要有兩類結(jié)構(gòu)，一是在光纖上引入光學(xué)諧振腔，一是在光纖端面引入探頭式光學(xué)諧振腔；相對(duì)于第一種結(jié)構(gòu)，探頭式結(jié)構(gòu)體積小，操作靈活，便于移動(dòng)，可制成嵌入式靈巧結(jié)構(gòu)(Smart Structure)型光纖傳感器；然而光纖端面尺寸小，在光纖端面制作微結(jié)構(gòu)工藝較為復(fù)雜，增大了傳感器的制作難度。針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了光纖微泡法珀傳感器及其傳感方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供光纖微泡法珀傳感器及其傳感方法，用以克服現(xiàn)有光纖法珀腔傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作工藝復(fù)雜、制作難度極高且成本高昂的缺陷；本發(fā)明在單模光纖平端面纖芯處沉積均勻的碳納米薄膜構(gòu)成光纖微泡法珀傳感器；將傳感器浸沒在水中時(shí)，激光器提供的光能，經(jīng)單模光纖傳輸，從光纖端面出射，照射在碳納米薄膜上，由于碳納米管具有良好的傳熱性能，在碳納米管薄膜處形成一個(gè)微氣泡，即微氣泡法珀腔。微氣泡法珀腔的形成受到液體環(huán)境因素的影響，通過對(duì)微氣泡法珀腔的光譜信息進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體環(huán)境因素，如溫度、流速等信息的傳感。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，大大降低了光纖端面微結(jié)構(gòu)制備的難度，并且體積小、成本低，操作靈活，可對(duì)微流系統(tǒng)內(nèi)任意位置進(jìn)行傳感。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

光纖微泡法珀傳感器，其特征在于，所述傳感器由單模光纖，以及均勻沉積于單模光纖平端面纖芯處的碳納米薄膜構(gòu)成。

進(jìn)一步的，所述碳納米薄膜的厚度為1-3μm。

所述單模光纖的中心波長為980nm，所述單模光纖平端面指光纖切割平整的端面。

進(jìn)一步的，上述光纖微泡法珀傳感器的傳感方法，其特征在于，將傳感器浸沒在微流體系中，激光器提供的光能，經(jīng)單模光纖傳輸，從光纖平端面出射，照射在碳納米薄膜上，在碳納米管薄膜處形成微氣泡法珀腔，通過測(cè)量單位時(shí)間生成的微氣泡法珀腔的光譜信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體系環(huán)境因素的傳感。

進(jìn)一步的，上述光纖微泡法珀傳感器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、將單模光纖的一個(gè)端面切割平整，獲得光纖平端面；另一端連接激光器；

步驟2、將單模光纖平端面豎直插入均勻的碳納米管溶液中，固定；

步驟3、打開激光器，接通光路，將單模光纖緩慢從碳納米管溶液中豎直抽出，即完成一次在單模光纖平端面上鍍碳納米薄膜的操作；

步驟4、重復(fù)步驟3，對(duì)單模光纖平端面進(jìn)行多次鍍膜操作，直至碳納米薄膜達(dá)到所需厚度。

所述單模光纖的中心波長為980nm，所述激光器的波長為980nm、功率為20-300mW。

本發(fā)明中的微法珀腔傳感方法是基于碳納米管的熱傳導(dǎo)性能，利用光的力學(xué)、熱學(xué)效應(yīng)，將碳納米管吸附到單模光纖端面纖芯處，形成碳納米管薄膜，將微氣泡法珀腔生成部浸入液體中時(shí)，打開980nm激光器，由于碳納米管沿長度方向具有較高的熱傳遞性，因此，碳納米薄膜可以將光能轉(zhuǎn)化的熱能很好的限制住，使熱能集中在碳納米薄膜的表面，生成微氣泡，即法珀腔外界液體環(huán)境的溫度、流速等信息會(huì)影響微氣泡的生成速度，因此，通過測(cè)量單位時(shí)間生成的微氣泡法珀腔的光譜信息，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)微流通道的流速、溫度信息的傳感。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明提供的光纖微泡法珀傳感器，由于光纖本身的尺寸小，在光纖端面形成的微氣泡法珀腔的尺寸也足夠小，有利于集成；傳感元件為探頭式的，可彎曲纏繞，操控更加靈活，探頭式傳感器可被操控在任意位置進(jìn)行傳感，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微流通道內(nèi)的環(huán)境信息的定點(diǎn)測(cè)量。

(2)本發(fā)明提供的光纖微泡法珀傳感器，利用光的力學(xué)效應(yīng)，在單模光纖端面纖芯處，吸附碳納米管，形成均勻的碳納米管薄膜，依據(jù)碳納米管薄膜的傳熱特性，光能轉(zhuǎn)化為熱能，在碳納米管薄膜表面積聚，在液體環(huán)境中形成一個(gè)微氣泡法珀腔，實(shí)現(xiàn)傳感，該方法制作工藝簡單，操作方便，大大降低了光纖探頭的制作工藝，也降低了成本。

附圖說明

圖1為實(shí)施例中提供的光纖微泡法珀傳感器的傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例中提供光纖微泡法珀傳感器的傳感系統(tǒng)示意圖；

圖3為實(shí)施例中探測(cè)在功率為P的情況下，經(jīng)過時(shí)間t₀時(shí)微氣泡法珀腔的自由光譜范圍與水溶液溫度的關(guān)系曲線圖；

圖4為實(shí)施例中探測(cè)在功率為P的情況下，水溶液的溫度恒定為室溫，經(jīng)過時(shí)間t₁時(shí)微氣泡法珀腔的自由光譜范圍與未留通道內(nèi)流速的關(guān)系曲線圖；

其中：1—980nm激光器，2—前段HI 1060單模光纖，3—光譜分析儀，4—波分復(fù)用器，5—位移臺(tái)，6—碳納米管薄膜，7—微氣泡，8—微流通道，9—傳感器，10—后段HI 1060單模光纖，11—普通單模光纖，12—顯微鏡載物臺(tái)，13—顯微鏡，14—計(jì)算機(jī)，15—進(jìn)樣泵，16—注射器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中提供的光纖微泡法珀傳感器的傳感裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括980nm激光器1、前段HI 1060單模光纖2、普通單模光纖11、光譜分析儀3、波分復(fù)用器4、位移臺(tái)5、微流通道8及傳感器9，傳感器9是由后段HI 1060單模光纖、以及均勻沉積于單模光纖平端面纖芯處的碳納米薄膜6構(gòu)成。

其中，普通單模光纖11為中心波長是1550nm的單模光纖，光纖纖芯很細(xì)，纖芯直徑一般為8至10um，包層直徑125um，是常用的通信波段的單模光纖；

前段HI 1060單模光纖2和后段HI 1060單模光纖10為中心波長是980nm的單模光纖，纖芯直徑為5.8um，包層直徑125um，能傳輸一種模式的光纖，單模光纖模間色散小，總色散小，帶寬寬。單模光纖可實(shí)現(xiàn)低損耗與小色散的光傳輸；

波分復(fù)用器4是980/1550波分復(fù)用器，980端用前段HI 1060單模光纖2連接980nm激光器1，1550nm端用普通單模光纖11連接光譜分析儀3，波分復(fù)用器4的單端熔接后段HI 1060單模光纖10。

將各段光纖熔接，其中熔接具體操作方法為：首先制備光纖端面，將光纖涂覆層剝除，并對(duì)剝除光纖涂覆層的裸纖進(jìn)行清潔，防止污染，切割裸纖，將切割好的兩光纖平端面通過熔接機(jī)熔接，其中熔接機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理為所屬領(lǐng)域的公知常識(shí)，不再贅述。

本實(shí)施例中激光器提供的光能在碳納米管薄膜6上積聚熱量，在液體環(huán)境中，產(chǎn)生微氣泡7，形成法珀腔，實(shí)現(xiàn)傳感。

上述傳感裝置的傳感過程為：后段HI 1060單模光纖10固定在位移臺(tái)5上，調(diào)節(jié)位移臺(tái)5，使傳感器9進(jìn)入微流通道8內(nèi)，并調(diào)節(jié)至傳感位置，打開980nm激光器1，光能經(jīng)前段HI 1060單模光纖2傳輸進(jìn)入波分復(fù)用器4至后段HI 1060激光器10，在微氣泡法珀腔生成部9的碳納米管薄膜6上產(chǎn)生熱效應(yīng)，形成微氣泡7，利用光譜分析儀3分析反射信號(hào)的光譜信息，實(shí)現(xiàn)傳感，位移臺(tái)5的具體結(jié)構(gòu)及其原理為所屬領(lǐng)域的公知常識(shí)，不再贅述。

實(shí)施例2

本實(shí)施例在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步限定，所述傳感器9為在切割平整的后段HI 1060單模光纖端面纖芯處鍍均勻的碳納米管薄膜6，依據(jù)碳納米管的熱傳導(dǎo)特性，在液體環(huán)境中生成微氣泡7，即用于傳感的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有技術(shù)探頭式的光纖傳感器大都采用在光纖端面進(jìn)行微加工的方式，這些方法制作工藝復(fù)雜，難度大，本實(shí)施例中的傳感元件制作簡單，降低了光纖光操控方法的制作難度，縮短制備時(shí)間，降低了成本。

實(shí)施例3

本實(shí)施例還提供了一種基于光纖端面微氣泡法珀腔傳感器的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟1)：將包層直徑為125um，纖芯直徑為5.8um的后段HI 1060單模光纖10的端面切割平整，獲得光纖平端面；

步驟2)：將后段HI 1060單模光纖10豎直插入均勻的碳納米管溶液中，固定；

步驟3)：打開980nm激光器1，將功率調(diào)節(jié)至67.5mw，在該功率下，緩緩的將后段HI 1060單模光纖10從碳納米管溶液中豎直抽出，即完成一次在光纖平端面上鍍碳納米薄膜的操作；

步驟4)：重復(fù)進(jìn)行步驟3)，對(duì)光纖平端面進(jìn)行多次鍍膜操作，得到傳感器。

實(shí)施例4

本實(shí)施例還提供了光纖微泡法珀傳感器的傳感方法，具體包括以下步驟：

步驟a、將后段HI 1060單模光纖10固定在位移臺(tái)5上；

步驟b、調(diào)節(jié)位移臺(tái)5，使傳感器9置于微流通道8內(nèi)的操控位置處，通過進(jìn)樣泵15，采用注射器16將溶液以恒定流速注入微流通道8內(nèi)；

步驟c、打開980nm激光器1，調(diào)節(jié)功率至P，接通光路，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，傳感器9開始形成微氣泡7；

步驟d、t₀時(shí)刻，讀取光譜分析儀3的光譜信息，記錄此時(shí)的自由光譜范圍(FSR)，通過光譜信息，可對(duì)微流通道內(nèi)溫度、流速信息進(jìn)行傳感。

其中如圖2所示，微流通道8置于顯微鏡載物臺(tái)12上，微氣泡7生成的過程由光學(xué)顯微系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，光學(xué)顯微系統(tǒng)由顯微鏡13與計(jì)算機(jī)14連接組成，便于對(duì)傳感位置進(jìn)行觀察，以保證將傳感器9放置在需傳感位置。

其中在靜止的水溶液中，微氣泡法珀腔t₀時(shí)刻的自由光譜范圍和微流通道內(nèi)溫度的曲線如圖3所示，圖3結(jié)果顯示，在激光器功率為P的情況下，微氣泡法珀腔在t₀時(shí)刻自由光譜范圍是隨著溫度的升高遞減的。

其中在溫度為25攝氏度的水溶液中，微氣泡法珀腔t₁時(shí)刻的自由光譜范圍和微流通道內(nèi)流速的曲線如圖4所示，圖4結(jié)果顯示，在激光器功率為P的情況下，微氣泡法珀腔在t₁時(shí)刻自由光譜范圍是隨著流速的增加是遞減的。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。