本發(fā)明涉及光纖技術領域，特別涉及光纖微泡法珀傳感器及其傳感方法。

背景技術：

光纖傳感與傳統的傳感方式相比具有很多不可替代的優(yōu)勢。光纖傳感器靈敏度高，抗電磁干擾，電絕緣，耐高壓，耐腐蝕，適用于惡劣環(huán)境。并且，光纖傳感器還具有質量輕，體積小，可彎曲纏繞，成本低等諸多優(yōu)點，使其在石油化工、電力、醫(yī)學、土木工程等諸多領域中發(fā)揮著不可替代的作用。在眾多光纖傳感器結構中，光纖法珀腔傳感器更是由于其結構簡單，線性度好等優(yōu)良特性，受到各領域的廣泛關注。光纖法珀腔傳感器依據的是光學法珀干涉原理，其核心結構是在光纖上引入光學諧振腔，它是由兩個反射系數分別為R₁和R₂、具有一定間距d的反射面組成的；當被傳感量引起光學諧振腔的變化，使R₁，R₂或d發(fā)生變化，即會引起干涉結果發(fā)生改變，實現對被傳感量的探測。因此，光纖法珀腔傳感器具有響應速度快，測量精度高，動態(tài)范圍大，等優(yōu)勢。

光纖法珀腔傳感器主要有兩類結構，一是在光纖上引入光學諧振腔，一是在光纖端面引入探頭式光學諧振腔；相對于第一種結構，探頭式結構體積小，操作靈活，便于移動，可制成嵌入式靈巧結構(Smart Structure)型光纖傳感器；然而光纖端面尺寸小，在光纖端面制作微結構工藝較為復雜，增大了傳感器的制作難度。針對上述問題，本發(fā)明提出了光纖微泡法珀傳感器及其傳感方法。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供光纖微泡法珀傳感器及其傳感方法，用以克服現有光纖法珀腔傳感器結構復雜、制作工藝復雜、制作難度極高且成本高昂的缺陷；本發(fā)明在單模光纖平端面纖芯處沉積均勻的碳納米薄膜構成光纖微泡法珀傳感器；將傳感器浸沒在水中時，激光器提供的光能，經單模光纖傳輸，從光纖端面出射，照射在碳納米薄膜上，由于碳納米管具有良好的傳熱性能，在碳納米管薄膜處形成一個微氣泡，即微氣泡法珀腔。微氣泡法珀腔的形成受到液體環(huán)境因素的影響，通過對微氣泡法珀腔的光譜信息進行探測，實現對液體環(huán)境因素，如溫度、流速等信息的傳感。該傳感器結構簡單，大大降低了光纖端面微結構制備的難度，并且體積小、成本低，操作靈活，可對微流系統內任意位置進行傳感。

為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

光纖微泡法珀傳感器，其特征在于，所述傳感器由單模光纖，以及均勻沉積于單模光纖平端面纖芯處的碳納米薄膜構成。

進一步的，所述碳納米薄膜的厚度為1-3μm。

所述單模光纖的中心波長為980nm，所述單模光纖平端面指光纖切割平整的端面。

進一步的，上述光纖微泡法珀傳感器的傳感方法，其特征在于，將傳感器浸沒在微流體系中，激光器提供的光能，經單模光纖傳輸，從光纖平端面出射，照射在碳納米薄膜上，在碳納米管薄膜處形成微氣泡法珀腔，通過測量單位時間生成的微氣泡法珀腔的光譜信息，實現對微流體系環(huán)境因素的傳感。

進一步的，上述光纖微泡法珀傳感器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、將單模光纖的一個端面切割平整，獲得光纖平端面；另一端連接激光器；

步驟2、將單模光纖平端面豎直插入均勻的碳納米管溶液中，固定；

步驟3、打開激光器，接通光路，將單模光纖緩慢從碳納米管溶液中豎直抽出，即完成一次在單模光纖平端面上鍍碳納米薄膜的操作；

步驟4、重復步驟3，對單模光纖平端面進行多次鍍膜操作，直至碳納米薄膜達到所需厚度。

所述單模光纖的中心波長為980nm，所述激光器的波長為980nm、功率為20-300mW。

本發(fā)明中的微法珀腔傳感方法是基于碳納米管的熱傳導性能，利用光的力學、熱學效應，將碳納米管吸附到單模光纖端面纖芯處，形成碳納米管薄膜，將微氣泡法珀腔生成部浸入液體中時，打開980nm激光器，由于碳納米管沿長度方向具有較高的熱傳遞性，因此，碳納米薄膜可以將光能轉化的熱能很好的限制住，使熱能集中在碳納米薄膜的表面，生成微氣泡，即法珀腔外界液體環(huán)境的溫度、流速等信息會影響微氣泡的生成速度，因此，通過測量單位時間生成的微氣泡法珀腔的光譜信息，即可實現對微流通道的流速、溫度信息的傳感。

與現有技術相比，本發(fā)明的具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明提供的光纖微泡法珀傳感器，由于光纖本身的尺寸小，在光纖端面形成的微氣泡法珀腔的尺寸也足夠小，有利于集成；傳感元件為探頭式的，可彎曲纏繞，操控更加靈活，探頭式傳感器可被操控在任意位置進行傳感，可實現對微流通道內的環(huán)境信息的定點測量。

(2)本發(fā)明提供的光纖微泡法珀傳感器，利用光的力學效應，在單模光纖端面纖芯處，吸附碳納米管，形成均勻的碳納米管薄膜，依據碳納米管薄膜的傳熱特性，光能轉化為熱能，在碳納米管薄膜表面積聚，在液體環(huán)境中形成一個微氣泡法珀腔，實現傳感，該方法制作工藝簡單，操作方便，大大降低了光纖探頭的制作工藝，也降低了成本。

附圖說明

圖1為實施例中提供的光纖微泡法珀傳感器的傳感裝置結構示意圖；

圖2為實施例中提供光纖微泡法珀傳感器的傳感系統示意圖；

圖3為實施例中探測在功率為P的情況下，經過時間t₀時微氣泡法珀腔的自由光譜范圍與水溶液溫度的關系曲線圖；

圖4為實施例中探測在功率為P的情況下，水溶液的溫度恒定為室溫，經過時間t₁時微氣泡法珀腔的自由光譜范圍與未留通道內流速的關系曲線圖；

其中：1—980nm激光器，2—前段HI 1060單模光纖，3—光譜分析儀，4—波分復用器，5—位移臺，6—碳納米管薄膜，7—微氣泡，8—微流通道，9—傳感器，10—后段HI 1060單模光纖，11—普通單模光纖，12—顯微鏡載物臺，13—顯微鏡，14—計算機，15—進樣泵，16—注射器。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明內容所實現的技術均屬于本發(fā)明的范圍。

實施例1

本實施例中提供的光纖微泡法珀傳感器的傳感裝置，其結構如圖1所示，包括980nm激光器1、前段HI 1060單模光纖2、普通單模光纖11、光譜分析儀3、波分復用器4、位移臺5、微流通道8及傳感器9，傳感器9是由后段HI 1060單模光纖、以及均勻沉積于單模光纖平端面纖芯處的碳納米薄膜6構成。

其中，普通單模光纖11為中心波長是1550nm的單模光纖，光纖纖芯很細，纖芯直徑一般為8至10um，包層直徑125um，是常用的通信波段的單模光纖；

前段HI 1060單模光纖2和后段HI 1060單模光纖10為中心波長是980nm的單模光纖，纖芯直徑為5.8um，包層直徑125um，能傳輸一種模式的光纖，單模光纖模間色散小，總色散小，帶寬寬。單模光纖可實現低損耗與小色散的光傳輸；

波分復用器4是980/1550波分復用器，980端用前段HI 1060單模光纖2連接980nm激光器1，1550nm端用普通單模光纖11連接光譜分析儀3，波分復用器4的單端熔接后段HI 1060單模光纖10。

將各段光纖熔接，其中熔接具體操作方法為：首先制備光纖端面，將光纖涂覆層剝除，并對剝除光纖涂覆層的裸纖進行清潔，防止污染，切割裸纖，將切割好的兩光纖平端面通過熔接機熔接，其中熔接機的結構及工作原理為所屬領域的公知常識，不再贅述。

本實施例中激光器提供的光能在碳納米管薄膜6上積聚熱量，在液體環(huán)境中，產生微氣泡7，形成法珀腔，實現傳感。

上述傳感裝置的傳感過程為：后段HI 1060單模光纖10固定在位移臺5上，調節(jié)位移臺5，使傳感器9進入微流通道8內，并調節(jié)至傳感位置，打開980nm激光器1，光能經前段HI 1060單模光纖2傳輸進入波分復用器4至后段HI 1060激光器10，在微氣泡法珀腔生成部9的碳納米管薄膜6上產生熱效應，形成微氣泡7，利用光譜分析儀3分析反射信號的光譜信息，實現傳感，位移臺5的具體結構及其原理為所屬領域的公知常識，不再贅述。

實施例2

本實施例在實施例1的基礎上作進一步限定，所述傳感器9為在切割平整的后段HI 1060單模光纖端面纖芯處鍍均勻的碳納米管薄膜6，依據碳納米管的熱傳導特性，在液體環(huán)境中生成微氣泡7，即用于傳感的光學諧振腔結構?，F有技術探頭式的光纖傳感器大都采用在光纖端面進行微加工的方式，這些方法制作工藝復雜，難度大，本實施例中的傳感元件制作簡單，降低了光纖光操控方法的制作難度，縮短制備時間，降低了成本。

實施例3

本實施例還提供了一種基于光纖端面微氣泡法珀腔傳感器的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟1)：將包層直徑為125um，纖芯直徑為5.8um的后段HI 1060單模光纖10的端面切割平整，獲得光纖平端面；

步驟2)：將后段HI 1060單模光纖10豎直插入均勻的碳納米管溶液中，固定；

步驟3)：打開980nm激光器1，將功率調節(jié)至67.5mw，在該功率下，緩緩的將后段HI 1060單模光纖10從碳納米管溶液中豎直抽出，即完成一次在光纖平端面上鍍碳納米薄膜的操作；

步驟4)：重復進行步驟3)，對光纖平端面進行多次鍍膜操作，得到傳感器。

實施例4

本實施例還提供了光纖微泡法珀傳感器的傳感方法，具體包括以下步驟：

步驟a、將后段HI 1060單模光纖10固定在位移臺5上；

步驟b、調節(jié)位移臺5，使傳感器9置于微流通道8內的操控位置處，通過進樣泵15，采用注射器16將溶液以恒定流速注入微流通道8內；

步驟c、打開980nm激光器1，調節(jié)功率至P，接通光路，同時開始計時，傳感器9開始形成微氣泡7；

步驟d、t₀時刻，讀取光譜分析儀3的光譜信息，記錄此時的自由光譜范圍(FSR)，通過光譜信息，可對微流通道內溫度、流速信息進行傳感。

其中如圖2所示，微流通道8置于顯微鏡載物臺12上，微氣泡7生成的過程由光學顯微系統實時監(jiān)測，光學顯微系統由顯微鏡13與計算機14連接組成，便于對傳感位置進行觀察，以保證將傳感器9放置在需傳感位置。

其中在靜止的水溶液中，微氣泡法珀腔t₀時刻的自由光譜范圍和微流通道內溫度的曲線如圖3所示，圖3結果顯示，在激光器功率為P的情況下，微氣泡法珀腔在t₀時刻自由光譜范圍是隨著溫度的升高遞減的。

其中在溫度為25攝氏度的水溶液中，微氣泡法珀腔t₁時刻的自由光譜范圍和微流通道內流速的曲線如圖4所示，圖4結果顯示，在激光器功率為P的情況下，微氣泡法珀腔在t₁時刻自由光譜范圍是隨著流速的增加是遞減的。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。