具有侧面微流体通道的全光纤开腔FP式光流体传感器

摘要

本发明涉及一种具有侧面微流体通道的全光纤开腔FP式光流体传感器。本发明主要是解决现有全光纤开腔FP式光流体传感器存在的干涉谱对比度较差和传感器的分辨率低的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种具有侧面微流体通道的全光纤开腔FP式光流体传感器，它由两段标准单模光纤和空芯光纤组成，两段标准单模光纤与空芯光纤的左、右端焊接；所述空芯光纤的腔体与第一标准单模光纤的右端面和第二标准单模光纤的左端面构成FP腔，空芯光纤和第二标准单模光纤连接处的侧面加工为锥面以形成微流体通道。本发明由于其干涉腔的两个反射面非常平滑，所以干涉谱对比度非常高、传感器分辨率更好。本发明制作工艺简单、原材料成本低等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有侧面微流体通道的全光纤开腔FP式光流体传感器，它属于光流体传感器技术领域。

背景技术

基于微流体学与光子学的光流体传感技术通过将纳升级的微流体样本和光局域在非常小的空间内以加强光与流体的相互作用，可以有效地提高现有生物化学系统的分析能力。同时，实现生物化学分析系统的集成化和微型化，因此，成为近年跨学科研究热点之一。

传统的光流体传感器是由微流道芯片和空间光学器件(如透镜、光源、分束器等)组成，存在体积大、稳定性差，容易受环境影响，不能实现微型化和集成化等缺点。光纤是一种微型化、低损耗、易于光耦合的光波导，通过在光纤内部加工微流体通道，可以实现光流体传感器的微型化、集成化，有效地提高传感器的稳定性。现有全光纤开腔FP式光流体传感器主要利用飞秒激光、聚焦离子束和光刻等工艺制作，这些加工设备非常昂贵，极大地增加了传感器的成本。同时，激光加工的FP干涉腔的反射面较粗糙，因此其干涉谱对比度较差，限制了传感器的分辨率。

发明内容

本发明的目的是解决现有全光纤开腔FP式光流体传感器存在的干涉谱对比度较差和传感器的分辨率低的技术问题，提供一种具有侧面微流体通道的全光纤开腔FP式光流体传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种具有侧面微流体通道的全光纤开腔FP式光流体传感器，它由两段标准单模光纤和空芯光纤组成，第一标准单模光纤的右端与空芯光纤的左端焊接，所述空芯光纤的右端与第二标准单模光纤的左端焊接；所述空芯光纤的腔体与第一标准单模光纤的右端面和第二标准单模光纤的左端面构成FP腔，所述第一标准单模光纤的右端面为FP腔第一反射面，所述第二标准单模光纤的左端面为FP腔第二反射面，空芯光纤和第二标准单模光纤连接处的侧面加工为锥面以形成微流体通道。

进一步地，所述第二标准单模光纤的末端进行倾斜研磨或粗糙化处理，以防止其反射光对干涉腔的反射谱产生调制。

进一步地，所述空芯光纤的内径大于第一标准单模光纤的纤芯直径，所述空芯光纤的长度为5-1000μm。

进一步地，所述第二标准单模光纤的长度为1-100μm。

进一步地，所述微流体通道的尺寸通过加工时调节研磨倾角和推进距离来调节。

本发明的有益效果为：相比于激光或聚焦离子束加工的全光纤开腔FP式光流体传感器，本发明的传感器由于其干涉腔的两个反射面非常平滑，所以干涉谱对比度非常高、传感器分辨率更好；传感器的制作工艺简单，原材料的成本也非常低；微流体通道的尺寸可以动态调节进而可以确保流体自动流入干涉腔内，不需要辅助设备驱动流体。此外，传感器还具有体积小、温度不敏感、耐恶劣环境能力强等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明与外围设备的连接关系示意图；

图中：1—第一标准单模光纤，2—空芯光纤，3—第二标准单模光纤，4—微流体通道，1-1—纤芯，1-2—第一反射面，3-1第二反射面，3-2—第二标准单模光纤的末端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例中的一种具有侧面微流体通道的全光纤开腔FP式光流体传感器，它由两段标准单模光纤1、3和空芯光纤2组成，第一标准单模光纤1的右端与空芯光纤2的左端焊接，所述空芯光纤2的右端与第二标准单模光纤3的左端焊接；所述空芯光纤2的腔体与第一标准单模光纤1的右端面和第二标准单模光纤3的左端面构成FP腔，所述第一标准单模光纤1的右端面为FP腔第一反射面1-2，所述第二标准单模光纤3的左端面为FP腔第二反射面3-1，空芯光纤2和第二标准单模光纤3连接处的侧面加工为锥面以形成微流体通道4。

进一步地，所述第二标准单模光纤3的末端3-2进行倾斜研磨或粗糙化处理，以防止其反射光对干涉腔的反射谱产生调制。

进一步地，所述空芯光纤2的内径大于第一标准单模光纤1的纤芯1-1直径，所述空芯光纤2的长度为5-1000μm。

进一步地，所述第二标准单模光纤3的长度为1-100μm。

进一步地，所述微流体通道4的尺寸通过加工时调节研磨倾角和推进距离来调节。

本发明的加工方法为：

1、首先将第一标准单模光纤1的右端与空芯光纤2的左端焊接，其中空芯光纤2的内径大于标准单模光纤1的纤芯1-1直径；接着将空芯光纤2的右端与第二标准单模光纤3的左端焊接；

2、利用光纤研磨仪倾斜研磨空芯光纤2和第二标准单模光纤3焊点处的两侧面以加工微流体通道4，其中微流体通道4的尺寸可以通过调节研磨倾角和推进距离来调节；

3、将第二标准单模光纤3的末端3-2经过倾斜研磨或粗糙化处理以消除其反射光对FP腔干涉光谱的影响。

本发明的工作原理：如图2所示，本发明配合使用的外围设备还有宽带光源、1×2耦合器、光谱仪等常规器件。本发明的传感器通过1×2耦合器分别于宽带光源和光谱仪相连接。

将本发明的具有侧面微流体通道的全光纤开腔FP式光流体传感器插入到待测流体中，流体经过微流体通道4进入FP腔与腔内的光相互作用，通过测量FP腔的反射光干涉谱进而对腔内光与流体的相互作用进行实时监测。

本发明中的FP腔为双光束干涉，其归一化反射谱的计算公式为：

γ＝γ₁+γ₂(3)

γ₂＝kL/n_an>

其中：R₁和R₂为两个反射面的光强反射率，α₁和α₂是两个反射面的损耗因子，L是腔长，λ是入射光波长，n_an和n_co分别是待测流体与光纤纤芯的折射率，k是常数，γ是干涉腔的传输损耗，γ₁是由腔内流体导致的损耗，γ₂是由腔内模式失配导致的损耗。

为了加快FP腔(干涉腔)内流体与腔外流体的替换速度，可以增加气孔的尺寸和个数，同时也可以尽量减小标准单模光纤3的长度。