一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器及其制备方法

1.本发明属于光纤湿度传感技术领域，具体涉及一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器及其制备方法。


背景技术：

2.日常生产生活中，湿度传感器已经较为普及；其中，大多数技术成熟的、已经具有稳定生产线的湿度传感器是电阻式、电容式等形式的电参量湿度传感器，这类电参量湿度传感器的输出信号为电信号，可以直接获取并处理，但缺点也十分明显，如抗电磁干扰能力较差，无法在严重污染或极端环境长期稳定运行等。
3.光学湿度传感器可弥补电学传感器的缺点，基于光学微谐振腔的湿度传感器得益于其体积小、质量轻、灵敏度高的显著优点，是微型化和集成化湿度传感器的发展趋势。然而，现有光学微谐振腔式湿度传感器受限于光学微腔尚存在耦合较为复杂、耦合结构较为脆弱的技术缺陷，导致其实用化水平较低，亟需进行进一步研究，研发耦合结构简单、光学结构稳固的光学微谐振腔式湿度传感器。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器及其制备方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的基于光纤微球谐振器的湿度传感器，具有耦合结构简单、光学结构紧凑稳固、制作工艺简单、测量灵敏度高的显著特点。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明提供的一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器，包括：
7.玻璃毛细管，所述玻璃毛细管的尾端通过高温熔融烧制方式形成有微球谐振腔；
8.单模光纤，所述单模光纤的一端通过所述玻璃毛细管的首端穿入所述玻璃毛细管并与所述微球谐振腔的内表面接触，形成谐振耦合；其中，所述单模光纤与所述微球谐振腔接触的一端的端面垂直于光纤轴线；所述单模光纤与所述微球谐振腔接触的一端的端面用于在入射光到达时，通过衍射效应产生各个方向的衍射模式，并以强倏逝波的形式在微球谐振腔表面传播；
9.亲水涂覆层，所述亲水涂覆层包覆于所述微球谐振腔的外表面，用于通过等效折射率的变化引起微球谐振腔谐振光谱的变化。
10.本发明湿度传感器的进一步改进在于，所述玻璃毛细管的内径尺寸范围为250um～275um。
11.本发明湿度传感器的进一步改进在于，所述微球谐振腔的直径范围为400μm～600μm。
12.本发明湿度传感器的进一步改进在于，所述单模光纤与所述微球谐振腔接触的一端的端面用于在入射光到达时，通过衍射效应产生各个方向的衍射模式，并以强倏逝波的形式在微球谐振腔表面传播时，在各衍射模式中，衍射模式与微球谐振腔的波导模相匹配
且沿微球谐振腔传播一周的相位延迟为2π的整数倍时发生谐振，单模光纤返回谐振光谱。
13.本发明湿度传感器的进一步改进在于，所述亲水涂覆层的材质为琼脂糖或聚酰亚胺。
14.本发明湿度传感器的进一步改进在于，所述亲水涂覆层的厚度为2um～10um。
15.本发明湿度传感器的进一步改进在于，所述基于光纤微球谐振器的湿度传感器的静态测试灵敏度为300pm/％rh，动态响应时间为100ms，最小可测湿度为0.07％rh。
16.本发明提供的一种湿度测量系统，采用本发明任一项上述的基于光纤微球谐振器的湿度传感器。
17.本发明提供的一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
18.将玻璃毛细管水平放置，对所述玻璃毛细管的尾端进行加热使尾端发生熔融，熔融玻璃在表面张力作用下收缩形成微球谐振腔；
19.将单模光纤的一端通过所述玻璃毛细管的首端穿入所述玻璃毛细管并与所述微球谐振腔的内表面接触，形成谐振耦合；其中，所述单模光纤与所述微球谐振腔接触的一端的端面垂直于光纤轴线；所述单模光纤与所述微球谐振腔接触的一端的端面用于在入射光到达时，通过衍射效应产生各个方向的衍射模式，并以强倏逝波的形式在微球谐振腔表面传播；
20.采用浸渍提拉方法，在所述微球谐振腔的外表面制备亲水涂覆层，获得基于光纤微球谐振器的湿度传感器。
21.本发明制备方法的进一步改进在于，所述对所述玻璃毛细管的尾端进行加热使尾端发生熔融的步骤具体包括：将玻璃毛细管的尾端置于酒精焰或氢氧焰下加热，加热时均匀转动所述玻璃毛细管；其中，通过控制加热时间、加热长度来控制形成微球谐振腔的直径。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.本发明提供的基于光纤微球谐振器的湿度传感器，具有耦合结构简单、光学结构紧凑稳固、制作工艺简单、测量灵敏度高的显著特点。
24.关于耦合结构简单具体解释性的，本发明的湿度传感器中，在毛细管尾端熔融形成微球谐振腔，并将光纤固定于毛细管内部，光纤端面与微球直接接触即可形成谐振耦合，具有耦合结构简单、易于制备形成的技术优势。
25.关于耦合结构稳定具体解释性的，本发明的湿度传感器中，光纤固定于微球尾端的毛细管内部，因此所形成光纤微球谐振器为一个稳固整体，机械结构稳固，可靠性高。
26.关于灵敏度高具体解释性的，本发明的湿度传感器中，形成的光纤微球谐振器表面存在强倏逝波，对表面材料性质极为敏感；通过在微球表面修饰亲水材料，即可实现高灵敏度湿度传感。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明实施例的一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器的结构示意图；其中，图1中(a)为整体外观示意图，图1中(b)为剖视示意图；
29.图2是本发明实施例的一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器的内部光传输示意图；
30.图3是本发明实施例的一种用于湿度测量所搭建的传感系统示意图；
31.图4是本发明实施例的一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器在不同环境湿度下的反射谱图；
32.图5是本发明实施例的一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器输出谐振波长与环境湿度之间的标定曲线示意图；
33.图中，
34.1、宽带光源；
35.2、环形器；
36.3、光纤微球湿度传感器；3-1、微球谐振腔；3-2、玻璃毛细管；3-3、单模光纤；3-4、亲水涂覆层；
37.4、光谱分析仪。
具体实施方式
38.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
39.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
40.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
41.请参阅图1和图2，本发明实施例的一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器，包括：
42.玻璃毛细管3-2，所述玻璃毛细管3-2的一端通过高温熔融烧制方式形成有微球谐振腔3-1；
43.单模光纤3-3，所述单模光纤3-3的一端通过所述玻璃毛细管3-2未设置微球谐振腔3-1的一端，穿入所述玻璃毛细管3-2并与所述微球谐振腔3-1的内表面接触，形成谐振耦合；其中，所述单模光纤3-3与所述微球谐振腔3-1接触的一端的端面垂直于光纤轴线；所述单模光纤3-3与所述微球谐振腔3-1接触的一端的端面用于在入射光到达时，通过衍射效应产生各个方向的衍射模式，并以强倏逝波的形式在微球谐振腔3-1表面传播。具体解释性
的，在各衍射模式中，衍射模式与微球谐振腔3-1的波导模相匹配，且沿微球谐振腔3-1传播一周的相位延迟为2π的整数倍时，即可发生谐振，单模光纤3-3返回谐振光谱。具体示例性的，所述单模光纤3-3的尾端用光纤切割刀切割，形成垂直于光纤轴线的平整端面。
44.亲水涂覆层3-4，所述亲水涂覆层3-4包覆于所述微球谐振腔3-1的外表面，用于通过等效折射率的变化引起微球谐振腔3-1谐振光谱的变化；其中，所述亲水涂覆层3-4的等效折射率的变化通过湿度变化引起。
45.本发明实施例提供的湿度传感器，具有耦合结构简单、光学结构紧凑稳固、制作工艺简单、测量灵敏度高的显著特点。本发明实施例的工作原理为，当入射光到达光纤端面时，由于端面的衍射效应，产生各个方向的衍射模式，并以强倏逝波的形式在微球谐振腔表面传播形成谐振。湿度变化引起涂覆层等效折射率的变化，将导致微球谐振器谐振光谱的漂移，通过对微球谐振腔输出谐振光谱横向漂移量的测量实现对湿度的测量。
46.本发明所提出的基于光纤微球谐振器的湿度传感器的工作原理描述如下：
47.光纤微球谐振器的结构如图2所示，当入射光到达光纤端面时，由于端面的衍射效应，产生各个方向的衍射光，沿垂直于光纤轴方向的第l阶波矢量可以表示为，
48.其中，nf为光纤折射率，d为纤芯直径(亦即衍射孔直径)，λ为入射光在真空中的波长，θi为光从光纤到微球的入射角，l为衍射级数。
49.光在微球内传播的矢量可以表示为，其中，n
eff
为光在微球内传播的等效折射率。
50.谐振需要满足两个条件：一是相位匹配条件，即相位延迟为2π的整数倍；二是模式耦合条件，即光纤端面激发的衍射摸与微球的波导模相匹配，可以表示为，
51.其中，m为谐振模式的阶数，r为微球半径，λ
rea
为谐振波长，光在微球中传播的等效折射率可以进一步表示为，
52.其中，γ为涂覆层中分布的倏逝场分数，ns为玻璃微球的折射率，n
cl
为涂覆层的折射率。
53.由于包层材料琼脂糖具有亲水性，包层折射率随环境湿度的变化而变化。因此有δn
cl
∝ham
bi
ent
，其中h
ambient
为环境相对湿度。
54.反射场er可以表示为，其中，为反射系数，该系数取决于传感器的结构，κ
ω
为微球腔内传播的光的波导损耗，e
in
为入射场，e
cav
为微腔场。
55.代入微腔场的力学表达式，
56.从而得到其中，κ
total
为光在微球中传播的总场衰减率，它取决于材料吸收、表面散射、辐射和波导损耗。
57.据上述方程可知，如果包层折射率n
cl
发生变化，相应的共振波长λ
res
也会相应变化，进而反射场发生变化，从而导致反射光谱漂移。通过光谱分析仪对本发明所提出湿度传感器的反射光谱横向漂移量进行测量，即可实现对环境湿度的传感。
58.本发明实施例中示例性可选的，通过高温熔融烧制方式形成微球谐振腔的工艺步骤具体包括：
59.采用长度为1cm～2cm的玻璃毛细管3-2，将其端部置于酒精焰或氢氧焰下加热；其中，在该过程中毛细管水平，且均匀转动毛细管使其受热均匀，毛细管将发生熔融，熔融玻璃在表面张力作用下，收缩形成微球谐振腔3-1。
60.可选的，通过合理控制加热时间、加热长度可控制形成微球谐振腔3-1的直径，加热时间越长、加热长度越长，形成微球谐振腔3-1直径越大。
61.示例性优选的，所述玻璃毛细管3-2的内径尺寸范围250um～275um，进一步优选的，玻璃毛细管3-2的内径尺寸为250um，便于与单模光纤3-3紧密固定。
62.示例性优选的，为实现与单模光纤3-3的高效耦合，微球谐振腔3-1直径范围为400μm～600μm，进一步优选为500μm。
63.基于本发明实施例上述公开的烧制工艺方法，可形成的微球谐振腔结构均匀、尺寸可控；熔融形成微球谐振腔表面具有分子量极平滑度，因此散射强度低，利于形成高性质谐振腔；制备工艺简单；光纤直接穿入尾端毛细管即可形成谐振耦合，耦合结构简单，便于制备。
64.本发明的湿度传感器中，在玻璃毛细管尾端熔融形成微球谐振腔，并将光纤固定于毛细管内部，光纤端面与微球谐振腔直接接触即可形成谐振耦合，具有耦合结构简单、易于制备形成的技术优势。对比于现有技术的光纤微球谐振结构，多需要对光纤拉锥形成微纳光纤，通过微纳光纤倏逝场与微球谐振腔形成谐振耦合，耦合结构复杂，且在制备时需要采用光学调节平台精密调节微纳光纤与微球谐振腔的间距才能达到耦合效果。
65.本发明实施例示例性可选的，所述亲水涂覆层可采用浸渍提拉的方法制备，包括：将微球谐振腔3-1置于亲水材料溶液中，并以缓慢均匀速度提拉离开溶液，在表面张力作用下，亲水材料将均匀包覆在微球谐振腔3-1的外表面。亲水涂覆层3-4的材质可以为琼脂糖、聚酰亚胺等；且为保证传感器的响应速度，亲水涂覆层3-4的厚度不易过厚，约为2um～10um即可，涂覆层厚度可以可通过控制提拉速度、溶液浓度来调节。
66.本发明实施例的一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器的工作方法，包括以下步骤：
67.步骤1、将所述光纤微球谐振器的湿度传感器置于待测湿度环境中；
68.步骤2、环境湿度引起光纤微球表面亲水涂层折射率的变化；
69.步骤3、亲水涂覆层折射率的变化，将导致微球表面传输倏逝波的强度、相位发生变化，进而引起微球谐振光谱的变化，并将所述微球谐振光谱的变化作为传感器的输出。
70.请参阅图3，本发明实施例的一种基于本发明湿度传感器的湿度测量系统，包括：
光纤微球湿度传感器3、宽带光源1、环形器2和光谱分析仪4；
71.所述光纤微球湿度传感器3为本发明实施例提供的基于光纤微球谐振器的湿度传感器；所述湿度传感器用于感知环境湿度，将环境湿度信息转换为传感器输出光谱的变化；
72.所述宽带光源1用于给传感器提供光源；
73.所述光谱分析仪4用于分析传感器输出谐振光谱；
74.所述环形器2用于传感器、光源、以及光谱仪之间的光路连接。
75.本实施例中基于光纤微球谐振器的湿度传感器实际用于温度测量所搭建的传感系统如图3所示，宽带光源1接入环形器2的输入端口，环形器2的输出端口与本实施例温度传感器连接，传感器返回的谐振光谱从环形器2的返回端口输出并连接至光谱分析仪4。
76.本发明实施例提供了一种基于光纤微球谐振器的湿度传感器，包括：宽带光源、环形器、单模光纤、微球和光谱分析仪。所述单模光纤的端部为裸纤段，通过去除靠近光纤端面的涂覆层并用光纤切割刀切割，形成垂直于光纤轴线的平整端面。所述微球由内径略大于单模光纤包层直径的玻璃毛细管高温熔融烧制后涂覆琼脂薄膜得到，所述微球直径范围400μm～600μm，优选为500μm，表面留有一段长度约5mm的玻璃毛细管，以供所述单模光纤穿入与微球耦合并连接。本发明利用光纤微球谐振器中，大量的光以强倏逝波的形式在微球表面传播，湿度变化引起涂覆层等效折射率的变化，进而导致传感器输出的反射光谱漂移的机理，通过光谱分析仪监测光谱横向漂移量实现对环境湿度的测量，传感器具有结构紧凑，工艺简单，测量灵敏度高，动态响应快等优点。
77.请参阅图4和图5，不同湿度下本发明实施例湿度传感器的反射光谱如图4所示，随着湿度升高，传感器输出谐振光谱波长向长波长漂移，由1536nm漂移至1544nm。图5为传感器输出谐振波长与环境湿度之间的标定曲线，由图可见谐振波长的漂移量随环境湿度近似呈线性关系，因此通过监测谐振波长的变化即可实现环境湿度的检测。综上，本发明实施例中基于光纤微球谐振器的湿度传感器静态测试灵敏度为300pm/％rh，动态响应时间为100ms，最小可测湿度为0.07％rh。
78.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。