[發明專利]一種尖端封裝有光學微球的高靈敏度光纖測溫探針

在審

• 申請號: 201711315945.2
• 申請日: 2017-12-12
• 公開（公告）號: CN107796532A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 舒方杰;姜雪峰;楊蘭;黃麗芝;王蒙
• 申請（專利權）人: 商丘師范學院
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司41125
• 代理人: 張真真,栗改

技術領域

本發明涉及光纖微納溫度傳感器的技術領域，尤其涉及一種尖端封裝有光學微球的高靈敏度光纖測溫探針，是一種高效率遠場散射耦合的光學回音壁模式光纖傳感探針。

背景技術

因為回音壁模式微腔品質因子高、體積小，所以可用于制作低閾值激光器、窄帶濾波器、寬帶光頻梳發生器、高靈敏度傳感器等多種光學器件。在這些器件中，通常需要通過一個或多個耦合裝置將光耦合進微腔，并且從微腔中提取信息。現有的一類耦合裝置包括：拉錐光纖、棱鏡、光波導、打磨的斜角光纖頭、光子晶體光纖等，一般通過模式近場交疊的方式耦合。現有通過模式近場交疊方式的耦合裝置的有效耦合距離短，約等于光波長量級；耦合強度是耦合距離的指數衰減函數，容易受到微小振動的影響導致信號不穩定，因此在系統中常用復雜的反饋控制或封裝方法來保持信號穩定。另外一類耦合方式是通過合理設計微腔的邊界形狀或引入缺陷/散射點，使得微腔模式可以被特定角度的自由空間聚焦光束激發。這類遠場耦合方式中，腔和耦合裝置不需要接觸，并且能量傳遞的相位匹配條件被自動滿足。但是，邊界形狀特殊的腔從設計和制作上都有一定的技術難度，并且對于不同材料的微腔需要不同的微腔形狀。而采用散射點耦合的方法簡單易行，但是耦合效率低且難以提高。

發明內容

針對微腔傳感器實用化的技術問題，本發明提出一種尖端封裝有光學微球的高靈敏度光纖測溫探針，提出了基于微粒散射、球腔聚焦、梯度折射率透鏡、封裝的回音壁模式光纖傳感探針的實現方案，大大提高了耦合效率。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：一種尖端封裝有光學微球的高靈敏度光纖測溫探針，包括光纖、光纖接頭和探頭，光纖兩端分別設有光纖接頭和探頭，探頭包括光束擴展裝置、聚焦透鏡和光學微球，光束擴展裝置固定在光纖上，聚焦透鏡與光束擴展裝置相連接，聚焦透鏡的前側封裝有光學微球，光學微球位于聚焦透鏡的焦點處，光學微球前部設有散射點。

所述光學微球和散射點固定在封裝內，封裝為低折射率的光學膠水，封裝將光學微球和散射點固定在聚焦透鏡的一側。

所述光學微球由二氧化硅材料制成，光學微球的折射率是溫度的函數，光在光學微球中沿表面分布形成共振回音壁模式；光學微球的光學品質因子較大，損耗較小，探測光在光學微球內被增大數十萬倍，光學微球折射率隨溫度的細微變化就能引起光信號的可探測響應。

所述光學微球的直徑為幾微米到幾十微米，光學微球為點傳感器，點傳感器能提升溫度測量的三維空間分辨率，光學微球可準確定位測量局部的溫度變化。

所述光學微球采用噴液冷卻或溶膠凝膠批量生產。

所述散射點為點缺陷或納米散射顆粒，散射點將光向四周散射；因為珀塞爾效應，被散射點所散射的入射光頻率與微腔模式頻率符合時，大部分的散射光將被散射進入光學微球中。

所述光束擴展裝置為光纖襯墊，聚焦透鏡為光纖透鏡。

一種尖端封裝有光學微球的高靈敏度光纖測溫探針的工作過程為：光纖的端面發射出的光束在光纖襯墊中傳輸一段距離之后被擴展到接近光纖透鏡的口徑，擴展后的發散光束經過光纖透鏡的聚焦投向帶散射點的光學微球；投射到光學微球表面上的光束經過光學微球本身的二次聚焦準確匯聚到光學微球頂端表面的散射點上，散射點將光向四周散射；因珀塞爾效應，入射光頻率與光學微球的微腔共振頻率相符，大部分的散射光被散射進入光學微球中；因為光路是可逆的，光學微球的共振信號光經過散射點散射后經過光纖透鏡和光纖襯墊回傳至輸入的光纖，從而被收集和分析。

本發明的有益效果：本發明是一種基于單接口遠場耦合裝置的光學回音壁模式光纖傳感探針，通過微粒散射、球腔聚焦、梯度折射率透鏡組合的方式提高遠場耦合效率；從同一端口收集傳感信號，把信號送回光纖中再傳輸到信號處理端，簡便易用。本發明利用微球腔二次聚焦的方式耦合提高了散射耦合的效率，將一般散射耦合效率1%提高至16.8%；同時單一接口、球腔位于頂端的配置有利于做探針。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為圖1所示探頭的放大圖。

圖3為圖2中光學微球的放大圖。