專利名稱：一種微納光纖鎖模激光傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于碳納米管薄膜的微納光纖鎖模激光傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
微納光纖是在微納光子學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，以空氣為包層的介觀尺度光波導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，它既不同于普通光纖，也不同于集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。微納光纖具有大比例的倏逝波傳輸、高非線性、高色散區(qū)、強(qiáng)倏逝波耦合、低彎曲損耗等特性。因此，它在一定程度上既能解決普通光纖所制作的光學(xué)器件尺寸很難縮小的問(wèn)題，同時(shí)又能彌補(bǔ)集成光波導(dǎo)器件制作難度高和損耗較大的缺點(diǎn)和不足，使得其作為一類新型的微納光子器件在光通信、光傳感領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。Langmuir-Blogeet膜，簡(jiǎn)稱LB膜，該膜最早由朗繆爾(I. Langmuir)和布勞杰特 (K. Blodgett)提出而得名，它是將具有親水頭和疏水尾的兩親分子分散在水面(亞相)上， 沿水平方向?qū)λ媸┘訅毫?，分子在水面上緊密排列，形成一層排列有序的不溶性單分子膜。LB膜技術(shù)就是將上述的氣/液界面上的單分子膜轉(zhuǎn)移到固體表面并實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)移組裝的技術(shù)。LB膜具有膜厚可準(zhǔn)確控制，制膜過(guò)程不需要很高的條件，簡(jiǎn)單易操作，膜中分子排列高度有序等特點(diǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)在分子水平上的組裝，在材料學(xué)、光學(xué)、電化學(xué)和生物仿生學(xué)等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)已開(kāi)展了眾多研究，涉及生物膜仿生模擬、超薄膜制備、光學(xué)以及各種基于LB膜的傳感器等方面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種具有高靈敏度近場(chǎng)光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，而且適用于微量氣體、液體等高精度、在線定量檢測(cè)方面的基于碳納米管薄膜的微納光纖鎖模激光傳感器及其制造方法。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種微納光纖鎖模激光傳感器，包括中間某段設(shè)為微納光纖結(jié)構(gòu)的普通光纖，所述普通光纖中的微納光纖段上設(shè)有數(shù)層碳納米管薄膜的單分子層，所述設(shè)有微納光纖段的普通光纖的一端依次與光耦合器、光纖放大器、偏振控制器、光隔離器連接后連接于該普通光纖的另一端。一種微納光纖鎖模激光傳感器的制造方法，包括如下步驟
a.將普通光纖的中間某段去掉涂覆層后拉制得到中間某段具有微納光纖結(jié)構(gòu)的普通光纖；
b.利用超聲機(jī)分散好碳納米管溶液并將其鋪展到去離子水表面，使其形成均勻的、緊密排列的單分子薄膜；
c.利用LB鍍膜技術(shù)將數(shù)層碳納米管單分子薄膜鍍?cè)诓襟Ea中所述普通光纖的微納光纖段；
把步驟a中得到的微納光纖段垂直插入到步驟b所得液體的液面，在膜壓的作用下，氣/液界面表面的碳納米管連續(xù)轉(zhuǎn)移到微納光纖的表面，利用L B鍍膜軟件精確控制碳納米管薄膜的層數(shù)和鍍膜長(zhǎng)度；
d.將通過(guò)步驟c后得到的微納光纖與光隔離器，光纖放大器，偏振控制器和耦合器連接形成被動(dòng)鎖模激光器結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述碳納米管溶液為0. 19mg/ml的碳納米管三氯甲烷溶液。進(jìn)一步地，所述碳納米管薄膜的單分子層為5 15層，每層厚度小于2納米。進(jìn)一步地，所述光纖放大器為摻餌光纖放大器(EDFA)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果基于碳納米管薄膜的微納光纖構(gòu)建鎖模激光傳感器，是將碳納米管、亞波長(zhǎng)直徑微納光纖與LB鍍膜相結(jié)合的技術(shù)，將具有許多優(yōu)良傳感性質(zhì)的碳納米管轉(zhuǎn)移到微納光纖表面，形成一種具有很好的光學(xué)傳感與非線性特性的復(fù)合光波導(dǎo)線。由于鍍有碳納米管薄膜的微納光纖表面存在較強(qiáng)的光倏逝場(chǎng)分布， 因此，其表面碳納米管薄膜可以有效地吸附液體或氣體分子，并且與近場(chǎng)光子直接作用，使它具有突出的光學(xué)傳感高精度測(cè)量和響應(yīng)特性。同時(shí)這種基于碳納米管薄膜微納光纖的復(fù)合光波導(dǎo)線結(jié)構(gòu)在新一代光子通信、光子器件和全光信號(hào)處理方面也有著廣泛應(yīng)用前景。將這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)線與EDFA(摻餌光纖放大器)、耦合器、光隔離器和偏振控制器連接可構(gòu)建一種被動(dòng)鎖模激光傳感器，通過(guò)控制光在激光器諧振腔里的偏振態(tài)和 EDFA的增益來(lái)控制激光器的振蕩，形成穩(wěn)定的脈沖激光輸出。同時(shí)，碳納米管薄膜具有突出的吸附特性和快速恢復(fù)特性，使得微納光纖表面光倏逝場(chǎng)能夠充分地與碳納米管薄膜所吸附的待測(cè)物質(zhì)分子作用，從而調(diào)制該激光傳感結(jié)構(gòu)的輸出激光脈沖寬度，通過(guò)精確測(cè)量脈沖展寬，可以反映待測(cè)物質(zhì)分子濃度的變化量。這種鍍有碳納米管薄膜的微納光纖所構(gòu)建的被動(dòng)鎖模激光傳感器可以作為一種高靈敏度的近場(chǎng)光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，在微量氣體、液體等的高精度、在線定量檢測(cè)方面有著良好的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例制備微納光纖的裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例鍍有碳納米管的光纖結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例基于微納光纖的LB鍍膜原理簡(jiǎn)圖4為本發(fā)明實(shí)施例基于LB鍍膜技術(shù)制備碳納米管薄膜微納光纖的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明實(shí)施例的微納光纖鎖模激光傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、普通光纖2、除去涂覆層的光纖3、酒精燈4、微納光纖5、碳納米管分子層6、去離子水(亞相)7、滑杖8、膜天平9、摻餌光纖放大器(EDFA) 10、偏振控制器11、光隔離器12、光耦合器。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。如圖5所示，一種微納光纖鎖模激光傳感器，包括中間某段設(shè)為微納光纖結(jié)構(gòu)的普通單模光纖1，所述普通單模光纖1中的微納光纖段上設(shè)有5 15層碳納米管薄膜的單分子層5，所述設(shè)有微納光纖段的普通單模光纖1的一端依次與光耦合器12、摻餌光纖放大器(EDFA)9、偏振控制器10、光隔離器11連接后連接于該普通單模光纖1的另一端，作為優(yōu)選， 所述光耦合器12為9:1的光耦合器。參見(jiàn)圖廣圖5，一種制造上述微納光纖鎖模激光傳感器的方法，包括如下步驟 將普通單模光纖1去掉涂覆層之后得到除去涂覆層的光纖2，在酒精燈3下加熱拉制得
到微納光纖4，所述微納光纖4的直徑為2 5微米，長(zhǎng)度為5 10厘米；
將拉制好的微納光纖4放置到LB鍍膜系統(tǒng)的光纖夾具上，調(diào)節(jié)好微納光纖4與液面的接觸點(diǎn)；將1000微升配置好的0. 19mg/ml的碳納米管三氯甲烷溶液逐滴滴到去離子水(亞相)6表面，待讓三氯甲烷揮發(fā)一個(gè)小時(shí)后，形成碳納米管薄膜的單分子層5。設(shè)定相關(guān)的鍍膜軟件參數(shù)，將膜壓恒定在30mN，微納光纖4提拉速度為0. 3mm/ min,利用LB鍍膜技術(shù)和相關(guān)控制軟件，在微納光纖4上轉(zhuǎn)移5 15層的碳納米管薄膜的單分子層5，每層膜厚小于2納米；被碳納米管包裹的微光纖長(zhǎng)度為1 5毫米。鍍膜過(guò)程中每層的等待時(shí)間為2分鐘。通過(guò)上述方式即可獲得碳納米管薄膜的光波導(dǎo)，再將這種結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)線與摻餌光纖放大器(EDFA)9、光耦合器12、光隔離器11和偏振控制器10連接可構(gòu)建被動(dòng)鎖模激光傳感器，脈沖激光從耦合器的10%端口輸出。此種基于碳納米管薄膜的微納光纖4的制備原理如圖3所示，在一定的壓力之下， 去離子水(亞相)6表面的碳納米管分子構(gòu)成緊密排列的單分子膜，微納光纖4以一定的速度從液面沿垂直方向提出，在膜壓的作用下，氣/液界面表面連續(xù)轉(zhuǎn)移到微納光纖4表面， 構(gòu)成了一層碳納米管薄膜的單分子層5。如圖4為L(zhǎng)B鍍膜實(shí)驗(yàn)裝置，將碳納米管溶液鋪展在去離子水(亞相)6表面上，待其溶液三氯甲烷揮發(fā)后，表面形成碳納米管薄膜的單分子層5。利用滑杖7向中心的擠壓作用，在膜天平8的感知下使膜壓維持在30mN。通過(guò)軟件控制使微納光纖4以一定的速度沿垂直方向運(yùn)動(dòng)。由于維持了 LB單分子層的膜壓恒定，故而在微納光纖4每次穿過(guò)液面的時(shí)候都會(huì)從氣/液表面轉(zhuǎn)移一層膜到微納光纖4的表面。設(shè)置軟件參數(shù)，重復(fù)5 15次，即可獲得碳納米管薄膜微納光纖。此種基于碳納米管薄膜的微納光纖鎖模激光傳感器的制備參數(shù)如下鍍膜過(guò)程中所用亞相為二次去離子水，電阻率為18. 25M Ω /cm，溫度恒定在20攝氏度，PH值為7. 0。上述具體實(shí)施方法用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明裝置，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利說(shuō)明書(shū)的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明的任何改變與變動(dòng)，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種微納光纖鎖模激光傳感器，其特征在于包括中間某段設(shè)為微納光纖結(jié)構(gòu)的普通光纖，所述普通光纖中的微納光纖段上設(shè)有數(shù)層碳納米管薄膜的單分子層，所述設(shè)有微納光纖段的普通光纖的一端依次與光耦合器、光纖放大器、偏振控制器、光隔離器連接后連接于該普通光纖的另一端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納光纖鎖模激光傳感器，其特征在于所述碳納米管薄膜的單分子層為5 15層，每層厚度小于2納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微納光纖鎖模激光傳感器，其特征在于所述光纖放大器為摻餌光纖放大器(EDFA)。
4.一種微納光纖鎖模激光傳感器的制造方法，其特征在于，包括如下步驟a.將普通光纖的中間某段去掉涂覆層后拉制得到中間某段具有微納光纖結(jié)構(gòu)的普通光纖；b.利用超聲機(jī)分散好碳納米管溶液并將其鋪展到去離子水表面，使其形成均勻的、緊密排列的單分子薄膜；c.利用LB鍍膜技術(shù)將數(shù)層碳納米管單分子薄膜鍍?cè)诓襟Ea中所述普通光纖的微納光纖段；其中，把步驟a中得到的微納光纖段垂直插入到步驟b所得液體的液面，在膜壓的作用下，氣/液界面表面的碳納米管連續(xù)轉(zhuǎn)移到微納光纖的表面，利用L B鍍膜軟件精確控制碳納米管薄膜的層數(shù)和鍍膜長(zhǎng)度；d.將通過(guò)步驟c后得到的微納光纖與光隔離器，光纖放大器，偏振控制器和耦合器連接形成被動(dòng)鎖模激光器結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微納光纖鎖模激光傳感器的制造方法，其特征在于所述碳納米管溶液為0. 19mg/ml的碳納米管三氯甲烷溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微納光纖鎖模激光傳感器的制造方法，其特征在于所述碳納米管薄膜的單分子層為5 15層，每層厚度小于2納米。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5或6所述的微納光纖鎖模激光傳感器的制造方法，其特征在于 所述光纖放大器為摻餌光纖放大器(EDFA)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微納光纖鎖膜激光傳感器及其制造方法，該激光傳感器包括中間某段設(shè)為微納光纖結(jié)構(gòu)的普通光纖，所述普通光纖中的微納光纖段上設(shè)有數(shù)層碳納米管薄膜的單分子層，所述設(shè)有微納光纖段的普通光纖的一端依次與光耦合器、光纖放大器、偏振控制器、光隔離器連接后連接于該普通光纖的另一端。本發(fā)明通過(guò)控制光在激光器諧振腔里的偏振態(tài)和EDFA的增益來(lái)控制激光器的振蕩，形成穩(wěn)定的脈沖激光輸出；這種鍍有碳納米管薄膜的微納光纖所構(gòu)建的被動(dòng)鎖模激光傳感器可以作為一種高靈敏度的近場(chǎng)光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，在微量氣體、液體等的高精度、在線定量檢測(cè)方面有著良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01N21/00GK102323212SQ20111022983
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月11日
發(fā)明者吳宇, 賈蘭, 饒?jiān)平?申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)