[發明專利]一體化探頭式微球腔傳感器

無效

• 申請號: 201010265730.6
• 申請日: 2010-08-24
• 公開（公告）號: CN101975763A
• 公開（公告）日: 2011-02-16
• 發明（設計）人: 熊繼軍;韓正甫;嚴英占;鄒長鈴;閆樹斌;孫方穩;吉喆;劉正;李杰;李鵬;張宇光
• 申請（專利權）人: 中北大學;中國科學技術大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G02B6/245;G02B6/255
• 代理公司: 山西五維專利事務所(有限公司) 14105
• 代理人: 李印貴

技術領域

本發明屬于微光機電系統技術領域，特別是涉及一體化探頭式微球腔傳感器。

背景技術

回音壁模式(WGM)高Q光學微腔得到了廣泛研究。在該回音壁光學傳輸模式中，激光沿著光學微腔大圓以全反射方式傳播，因此微腔內光能量只有極小部分泄露到腔外，從而形成了沿界面傳播的高Q值光學模式。超高Q值使得此類光學微腔可應用于低閾值激光發射、高靈敏傳感器、光通訊器件等領域。

但是，傳統的微球腔光學模式激發需要依賴外部耦合器進行耦合，比如：錐形光纖。這種耦合系統的組成部分(微球腔、耦合器)是分立的。分立的耦合系統對于其在傳感探測方面的應用存在探測不便，系統穩定性差，集成度較差等缺點。

發明內容

本發明的目的是克服現有微腔需要依賴錐形光纖進行光學模式激發和結構分立等缺點，設計和提供一種結構簡單，與光纖通訊系統兼容的、集成耦合一體化探頭式微球腔。。

為實現上述的目的，本發明采取以下技術方案：

一體化探頭式微球腔傳感器，包括集成輸入光纖、微球腔、集成輸出光纖；其特征在于：所述的微球腔為球形的形狀，并與集成輸入光纖、集成輸出光纖集成為一體，微球腔作為光傳輸載體和外部參量探頭，所述集成輸入光纖，作為光信號輸入端，所述集成輸出光纖，作為光信號輸出端；該微球腔傳感器是將激光輸入，光耦合、光傳輸及光探測一體化集成的傳感器。

一體化探頭式微球腔傳感器的制作方法，所述集成輸入光纖(1)與集成輸出光纖(3)均利用單模標準光纖制備，其特征在于：首先，應用光纖剝線鉗進行剝纖以祛除單模光纖包層，并應用酒精進行清洗；其次，所述的微球腔與集成輸入光纖和集成輸出光纖采用對接方式連接，是利用CO₂激光器加熱集成輸入光纖和集成輸出光纖的對接末端，然后依靠融融狀態下二氧化硅的表面張力使之對接形成。

本發明由于采取以上技術方案，其實現了激光輸入，光耦合、光傳輸以及光探測的一體化集成，具有以下實質性特點和顯著地有益效果：

1、采用集成輸入光纖，集成輸出光纖與微球腔集成一起的結構，徹底改變了以往微球腔需要通過外部錐形光纖進行進場耦合、探測的分立結構，實現了光輸入，傳輸與探測一體化，易加工，加工靈活性高，而且結構無可動部件，性能穩定。

2、采用的微球腔為二氧化硅材料，球形形狀，利用CO₂激光器加熱單模光纖末端，依靠融融狀態下二氧化硅的表面張力形成。與傳統氫火焰熱源相比，激光熱源具有功率可調、與微腔無接觸的優勢，避免了氫火焰加熱過程中氫氧根離子摻入，從而減小了光傳輸的損耗，提高了微球腔的品質因子，進而保證測量精度。

3、采用的微球腔與集成輸入光纖、集成輸出光纖耦合結構簡單，可以根據實際測量要求改變微球腔大小，并且使用方便；微球腔作為探頭，可適用于氣體濃度，液體濃度、溫度等環境的物理參數測量。還可以通過表面修飾技術對微球腔進行表面表征，以實現更高靈敏度的靶向傳感。

4、由于采用微球腔實現光傳輸與諧振，可以擴展現有技術下微球腔應用范圍，可應用在如電磁復雜和超高真空系統等要求非常嚴格的環境中。

5、由于利用光透射譜線共振峰中心頻率的顯著變化測量外部信號變化，如氣體濃度，液體濃度等，并且可以獲得較高的測量精度。

本發明的結構可靠性高，體積小、質量輕、耐振動、低成本、低功耗、抗電磁干擾能力強，主要應用在氣體濃度測量，液體濃度測量，生物蛋白細胞檢測以及溫度監測等領域，具有加工簡便，測量方便，靈活性高，測量精度高的特點。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明的工作原理圖。

圖3是本發明測試甲烷濃度的實驗結果圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發明的實施例。

本發明探頭式一體化微球腔傳感器的結構：

圖1所示，探頭式一體化微球腔傳感器。一體化探頭式微球腔傳感器，包括集成輸入光纖1、微球腔2、集成輸出光纖3；所述的微球腔為球形的形狀，并與集成輸入光纖、集成輸出光纖集成為一體，微球腔作為光傳輸載體和外部參量探頭，所述集成輸入光纖，作為光信號輸入端，所述集成輸出光纖，作為光信號輸出端；該微球腔傳感器是將激光輸入，光耦合、光傳輸及光探測一體化集成的傳感器。

其中，集成輸入光纖1與集成輸出光纖3的角度可以為任意值，在探頭式應用中最佳角度值應為0～60°。集成輸入光纖1通過普通單模光纖4與激光光源5相連，集成輸出光纖3的光信號被快速響應光電探測器6接受，并被轉化為相應的電信號。最后，該電信號傳輸至信號處理模塊7，并通過相應的處理程序讀出傳感的物理量值。