[發明專利]一種基于多腔耦合游標效應的多通道微流傳感器

有效

• 申請號: 202110503256.4
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113109296B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 張昊;陳曈;李珊珊;林煒;劉波;劉艷格;王志
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;G01N21/03
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 侯力

一種基于多腔耦合游標效應的多通道微流傳感器，所述傳感器是由三個相互耦合的薄壁毛細管構成的耦合系統，其中一個為控制通道，其余均為傳感通道。當控制通道和各傳感通道腔體中回音壁模式的品質因數接近時將產生游標效應，耦合系統的透射光譜中各諧振峰的強度將呈周期性變化，產生周期性光譜包絡調制，從而實現高靈敏度折射率傳感。本發明可以同時獨立地對兩種樣品進行傳感，具有傳感靈敏度高、波長調諧范圍廣、折射率傳感范圍大、調諧手段簡便易行等優點，并在一些特定的折射率附近可以獲得無上限超高靈敏度。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，通過多個環形諧振腔之間耦合作用導致的游標效應構建一種傳感范圍可調的高靈敏度多通道微流傳感器。

背景技術

近年來，回音壁模式由于其具有高品質因數和小模式體積而在光學領域備受關注，鑒于此，環形回音壁模式微諧振腔已被廣泛應用于高靈敏度光學傳感。由于待測物理化學參量的變化會引起諧振腔透射光譜諧振波長的漂移，因此通過對諧振波長漂移的觀測可以實現對待測量的測量。

同時，光學游標效應的引入有利于傳感器靈敏度的進一步提高。光學游標效應的原理類似于游標卡尺，當兩個自由光譜范圍不同但相近的諧振光譜疊加后，其形成的光譜的包絡具有更大的自由光譜范圍。當待測物理量的變化引起諧振峰的波長變化時，游標包絡將相應地發生漂移，且游標包絡的漂移量會遠大于單個諧振峰的漂移量，從而提高傳感器的傳感靈敏度。目前光學游標效應已被廣泛應用于光纖傳感領域。例如，南方科技大學提出了基于級聯Sagnac干涉儀游標效應的液體密度傳感系統(基于微波光子技術的液體密度傳感器系統，公開號：CN209727686U，授權公開日：2019年12月3日)，但是其傳感系統的光路復雜，不便于實際使用。中國計量大學提出了基于邊孔光纖雙馬赫曾德干涉游標效應的光纖傳感器，實現了44084.1nm/RIU的高靈敏度(基于邊孔光纖雙馬赫曾德干涉游標效應的光纖傳感器，公開號：CN209945377U，授權公開日：2020年1月14日)，但該傳感器的一個馬赫曾德干涉儀處于封閉狀態，因此干涉光譜保持不變，在實現高靈敏度傳感的同時很難兼顧傳感范圍。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種環形回音壁模式微腔耦合結構，將三個相互耦合的環形回音壁模式微腔集成到一起形成游標效應，可實現對兩種液體的同時傳感，兼顧了高傳感靈敏度和大傳感范圍，同時在特定的折射率附近還可獲得無上限超高靈敏度。

本發明的技術方案

基于多腔耦合游標效應的多通道微流傳感器，所述傳感器由三個相互耦合的薄壁毛細管構成的耦合系統，其中一個為控制通道，其余均為傳感通道。當控制通道和兩個傳感通道腔體中回音壁模式的品質因數處于同一數量級時，耦合系統透射光譜中各諧振峰的強度將呈周期性變化，產生周期性光譜包絡調制，且滿足相位匹配條件時，包絡峰值強度將達到極大值，其中k為整數，和分別為控制通道和傳感通道腔體內回音壁模式光場的相位。

本發明中各微流通道所使用的薄壁毛細管基底材料為純石英，其在1550nm處的折射率為1.444，毛細管截面外徑為120μm，壁厚為1.4μm。

游標效應的產生和傳感原理：

本發明提出的基于多腔耦合游標效應的多通道微流傳感器能夠在控制通道和各傳感通道內同時形成回音壁模式，在單毛細管微腔中的回音壁模式徑向分布為：