一种基于回音壁模式柱状光学微腔的PDMS温度传感器

一种基于回音壁模式柱状光学微腔的pdms温度传感器
技术领域
1.本发明属于光纤传感领域，涉及到一种基于回音壁模式柱状光学微腔的温度传感器。


背景技术：

2.回音壁模式光学微腔是一种基于全内反射效应将光场约束在微米级空间区域内的光学元件，具有能量密度大、品质因子高、空间尺寸小的优点，在光纤传感领域具有广泛的应用。光学微腔的折射率受其周围环境温度的影响而移动，据此可以实现温度传感。然而，用于制作微腔的常见材料，如二氧化硅，具有较低的热光系数和热膨胀系数，导致灵敏度较低。为了提高温度传感灵敏度，采用热光系数较高的敏感介质pdms填充石英微管作为回音壁模式光学谐振腔，并与锥形微纳光纤耦合的方法制成高精度的温度传感器，可以实现对温度的精确测量。


技术实现要素：

3.本发明涉及光纤器件技术，特别是一种基于回音壁模式柱状光学微腔的温度传感器，在石英微管内填充聚二甲基硅氧烷pdms形成柱状的回音壁模式光学微腔，通过被测温度变化致使pdms折射率变化，从而致使微腔谐振峰谐振波长变化或移动或漂移的热光传感路径，进而实现对温度的精确测量。本发明既能够提高温度传感灵敏度又能够保留回音壁模式光学微腔原有的高品质因子特性。
4.本发明是为了解决现有的温度传感器精度低、灵敏度较低、结构复杂的问题，现提供基于回音壁模式柱状光学微腔的温度传感器。
5.为实现上述目的，本发明公开了一种基于回音壁模式柱状光学微腔的温度传感器，包括具有两头粗中间细的锥形微纳光纤，锥形微纳光纤左端连接输入单模光纤，锥形微纳光纤右端连接输出单模光纤，中间锥部与石英微管接触通耦合。所述输入单模光纤的左端与宽谱光源连接，所述输出单模光纤右端与光谱分析仪连接。
6.所述石英微管外直径为125μm，内直径为70μm，石英微管的管道厚度为55μm，所述石英微管的长度为200μm。
7.利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得到轮廓外形满足绝热条件的低损耗锥形微纳光纤，所述锥形微纳光纤最小直径2μm。
8.通过纳米级精密位移台实现所述锥形微纳光纤中间锥部与所述石英微管接触耦合，通过低折射率的紫外固化胶连接。
9.利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机连接所述回音壁模式柱状光学微腔。
10.所述锥形微纳光纤左端与所述输入单模光纤熔融连接，所述锥形微纳光纤右端与所述输出单模光纤熔融连接。
11.本发明的技术效果如下：本发明提供了一种基于回音壁模式柱状光学微腔的温度传感器，利用回音壁模式光学微腔的高品质因子特性，通过将回音壁模式光学微腔充聚二
甲基硅氧烷pdms，利用pdms所具有的高热光系数，提高温度传感灵敏度，实现外界温度的高灵敏度传感。本发明利用热光系数更高的pdms知外界温度的变化，引起其自身折射率较大幅度的改变，导致光学微腔的谐振波长发生大范围移动，从而提高温度传感灵敏度。本发明制备过程简单，易于操控，并且保留了回音壁模式光学微腔原有的高品质因子特性。本发明具有体积小、灵敏度高、易于远程监控等优点，可应用于对灵敏度要求高的温度传感领域。
12.本发明与现有技术相比具有以下特点：1.本发明所采用填充pdms的石英微管作为回音壁模式光学微腔，在保留了回音壁模式光学微腔的高品质因子特性上，提高了对温度的敏感度，具有较高的温度分辨率。2.本发明所使用回音壁模式柱状光学微腔相比于常见的球状光学微腔、瓶状光学微腔结构简单；本发明所使用石英微管相比于石英空心微球，石英空心微瓶容易制备。3.聚二甲基硅氧烷pdms既具有的高热光系数，提高温度传感灵敏度；又能够以液态填充后固化，石英微管两端不需要封装就可以直接形成柱状回音壁模式光学微腔，简化回音壁模式温度传感器制作过程。
附图说明
13.图1为本发明的实验装置图。
14.图2为本发明的传感器的简图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明进行说明。
16.图1为实施本发明基于回音壁模式柱状光学微腔的温度传感器的实验装置图。参考图 1，所示锥形微纳光纤(3)具有中间细两头粗的结构，所述锥形微纳光纤(3)中间锥部与石英微管(6)内部填充pdms(7)构成的回音壁模式柱状光学微腔接触耦合，所述锥形微纳光纤(3) 左端连接输入单模光纤(2)，所述锥形微纳光纤(3)右端连接输出单模光纤(4)。所述输入单模光纤(2)与宽谱光源(1)连接，所述输出单模光纤(4)与光谱分析仪(5)连接。
17.利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得轮廓外形满足绝热条件的低损耗锥形微纳光纤(3)。
18.通过纳米级精密位移台实现锥形微纳光纤(3)中间锥部与所述石英微管(5)接触耦合，通过低折射率的紫外固化胶连接。
19.利用加热熔融法将单模光纤通过光纤熔接机与制得所述回音壁模式柱状光学微腔熔接。所述左端与所述输入单模光纤(2)熔融连接，所述右端与所述输出单模光纤(4)熔融连接。
20.所述石英微管(6)外的环境温度变化引起所述pdms(7)的折射率变化，所述折射率变化导致所述回音壁模式柱状光学微腔谐振峰谐振波长的改变，所述宽谱光源(1)输出的光经所述输入单模光纤(2)和所述锥形微纳光纤(3)耦合进所述回音壁模式柱状光学微腔(4)中形成谐振之后重新耦合回所述锥形微纳光纤(3)并经输出单模光纤(4)输入至所述光谱分析仪 (5)中，所述光谱分析仪(5)得到包含谐振信息的传输光谱，并通过测量谐振峰谐振波长的变化确定所述石英微管(6)外的环境温度。
21.本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况
下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。


技术特征：
1.一种基于回音壁模式柱状光学微腔的pdms温度传感器，其传感器装置包括宽谱光源(1)、输入单模光纤(2)、锥形微纳光纤(3)、输出单模光纤(4)、光谱分析仪(5)、石英微管(6)和pdms(7)；所述锥形微纳光纤(3)左端连接输入单模光纤(2)，锥形微纳光纤(3)右端连接输出单模光纤(4)；所述输入单模光纤(2)左端与宽谱光源(1)连接，所述输出单模光纤(4)右端与光谱分析仪(5)连接；其特征在于：填充pdms(7)的石英微管(6)与锥形微纳光纤(3)耦合构成柱状回音壁结构。2.根据权利要求1所述的基于回音壁模式柱状光学微腔的pdms温度传感器，其特征在于：所述pdms(7)以液态形式注入所述石英微管(6)，待所述pdms(7)固化后，使用紫外固化胶将填充pdms(7)的石英微管(6)与所述锥形微纳光纤(3)相连接。3.根据权利要求1所述的基于回音壁模式柱状光学微腔的pdms温度传感器，其特征在于：所述石英微管外直径为125μm，内直径为70μm，所述石英微管的长度为200μm，石英微管的管道厚度为55μm，所述锥形微纳光纤(3)耦合位置直径2μm。4.根据权利要求1所述的基于回音壁模式柱状光学微腔的pdms温度传感器，其特征在于：所述石英微管(6)外的环境温度变化引起所述pdms(7)的折射率变化，所述折射率变化导致所述回音壁模式柱状光学微腔谐振峰谐振波长的改变，所述宽谱光源(1)输出的光经所述输入单模光纤(2)和所述锥形微纳光纤(3)耦合进所述回音壁模式柱状光学微腔中形成谐振之后重新耦合回所述锥形微纳光纤(3)并经输出单模光纤(4)输入至所述光谱分析仪(5)中，所述光谱分析仪(5)得到包含谐振信息的传输光谱，并通过测量谐振峰谐振波长的变化确定所述石英微管(6)外的环境温度。

技术总结
本发明提供了一种基于回音壁模式柱状光学微腔的PDMS温度传感器，属于光纤传感领域。该传感器装置包括宽谱光源、输入单模光纤、柱状回音壁结构、输出单模光纤和光谱分析仪。其中柱状回音壁结构由一段填充PDMS的石英微管通过低折射率的紫外固化胶与锥形微纳光纤中间锥部耦合连接构成。本发明利用高热光系数的PDMS感知外界温度的变化，引起其自身折射率较大幅度的改变，导致光学微腔的谐振波长发生大范围移动，从而提高温度传感灵敏度，并且保留了回音壁模式光学微腔原有的高品质因子特性。本发明极易操作，可大量制备，易于推广使用。易于推广使用。易于推广使用。


技术研发人员：杨文龙 孟大力 苏海林
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/9/19