本發(fā)明涉及光纖的應用領域，具體涉及光纖傳感器的研究及其制備，尤其是提供一種基于微光纖耦合器的微流速傳感器及利用該傳感器進行測量的方法。

背景技術：

隨著時代的進步，在過去的30年間，光纖傳感技術乃至微納光纖傳感器件逐漸興起并且大量涌現(xiàn)與發(fā)展，這些器件具有很多其他器件所沒有的特點與優(yōu)勢，如抗電磁干擾、輕巧、成本低廉、緊湊小型化等。

微流體在化學、生物醫(yī)學、生物細胞學等領域吸引了大量科研工作者，并且具有很重要的應用。芯片上對微流體的流量和流速控制是個很重要的問題，實現(xiàn)微流量的輸送已經(jīng)有大量的電學、光學方面的工作進行過報道。

結合微納光纖器件，例如光柵、法布里-珀羅腔等；利用熱效應，例如鈷離子吸收、金屬膜吸收等；同樣可以實現(xiàn)微流速傳感的器件。但傳感器具有更高的靈敏度、更小的探測極限始終是科研工作者們面臨的挑戰(zhàn)和著力解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

為此，本發(fā)明的目的是提供一種新型的基于微光纖耦合器的微流速傳感器，并提供利用該傳感器的測量方法。

本發(fā)明采用的技術方案是：

基于微光纖耦合器的微流速傳感器，包括中空管、微光纖耦合器和封裝材料，中空管的外表面鍍有一層金屬薄膜，微光纖耦合器繞制在金屬薄膜上，利用封裝材料將中空管和微光纖耦合器封裝在一起；所述微光纖耦合器由兩根單模光纖制成，包括一個均勻腰區(qū)、兩個錐形過渡區(qū)、兩個輸入端口和兩個輸出端口。

所述微光纖耦合器的繞制圈數(shù)為一圈或者多圈。

優(yōu)選地，所述均勻腰區(qū)的長度為5毫米到15毫米，均勻腰區(qū)處單根光纖的直徑為2微米到5微米。

進一步地，所述中空管采用玻璃毛細管，直徑為0.5毫米到1毫米，壁厚為50微米到150微米。

優(yōu)選地，所述金屬薄膜的材料為金，厚度為100納米。

進一步地，所述封裝材料采用紫外固化膠。

利用上述基于微光纖耦合器的微流速傳感器的測量方法，具體為：在所述中空管內(nèi)注入流體，光源產(chǎn)生的光進入微光纖耦合器的一個輸入端口，微光纖耦合器的一個輸出端口連接光譜儀；由于微光纖耦合器的均勻腰區(qū)的倏逝場被金屬薄膜吸收，從而產(chǎn)生熱量，當中空管內(nèi)的流體經(jīng)過的時候會帶走部分熱量，引起溫度的改變，致使耦合器的諧振波長發(fā)生移動，通過光譜儀探測波長的移動實現(xiàn)流體的速度檢測。

本發(fā)明在中空管外纏繞微光纖耦合器，利用金屬薄膜對微光纖耦合器的倏逝場的吸收致熱，管道中的微流體帶走熱量，致使溫度的改變，引起微光纖耦合器諧振波長的移動，通過測得波長移動值，可以實現(xiàn)微流體流速的精確測量，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明具有超高的微流速靈敏度；

(2)本發(fā)明的傳感器在測量時僅需要一個輸入光源，同時作為信號光源和泵浦光源，結構簡單；

(3)本發(fā)明在光路與液體分離的同時，實現(xiàn)光液長距離的相互作用；

(4)中空管的直徑尺寸能做到很小，可以方便地與微流體芯片連接，具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于微光纖耦合器的微流速傳感器的結構示意圖；

圖2封裝后的微光纖耦合器的寬譜輸出圖；

圖3本發(fā)明傳感器在不同流速下的諧振波長移動的關系及曲線擬合圖；

圖4本發(fā)明傳感器在不同流速下的靈敏度計算關系曲線圖；

圖5本發(fā)明傳感器的時間響應圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方法對本發(fā)明做進一步的說明，以清楚展現(xiàn)本發(fā)明的特點。

圖1是本實施例基于微光纖耦合器的流速傳感器的結構示意圖，包括：微光纖耦合器1、金屬薄膜2、玻璃毛細管3、聚合物膠4。金屬薄膜2利用真空鍍膜技術，覆蓋在玻璃毛細管3外，微光纖耦合器1利用一軸旋轉臺，旋繞在金屬薄膜2的外部一圈，再在微光纖耦合器1外使用聚合物膠4進行封裝保存，這樣形成了本實施例的微流速傳感器。其中，微光纖耦合器1由兩根普通單模光纖利用氫氧焰掃火方法制成，包含一個均勻腰區(qū)、兩個錐形過渡區(qū)、兩個輸入端和兩個輸出端。金屬薄膜2的材料為金，微光纖耦合器1纏繞的圈數(shù)為一圈或者多圈，取決于玻璃毛細管3的直徑，當繞制多圈時，圈與圈之間的距離幾百微米，防止出現(xiàn)耦合。聚合物膠4采用紫外固化膠。

圖2顯示了封裝后的微光纖耦合器的寬譜輸出圖。每個谷代表耦合器的諧振波長。

圖3展示了本發(fā)明傳感器在不同流速下的諧振波長移動的關系及曲線擬合圖。測量的具體步驟為：

(1)利用放大自發(fā)輻射光(1525-1565nm)作為光源，光經(jīng)過微光纖耦合器1的錐形過渡區(qū)、腰區(qū)，由另一端的輸出端口輸入光譜儀；

(2)利用微流體注射泵從玻璃毛細管3管道的一端輸入微流體，流體經(jīng)過微光纖纏繞區(qū)，從管道的另一端輸出；

(3)不同的微流體流速，其溫度有不同的改變，使得諧振波長移動，從而實現(xiàn)對流速的傳感檢測。

本實施例中，利用的是放大自發(fā)輻射光(1525-1565nm)作為光源，功率大小有100mW、150mW、197mW。在不同的流速下，微光纖耦合器1展現(xiàn)出不同的諧振波長移動。當微流體的流速越大，可以帶走更多的熱量，溫度降低越多，波長移動越多。當輸入功率越大，該現(xiàn)象越發(fā)明顯，同樣流速下，波長移動同倍數(shù)增加。圖中的曲線是根據(jù)公式對數(shù)據(jù)的擬合。

圖4是本發(fā)明傳感器在不同流速下的靈敏度計算關系曲線圖。根據(jù)圖3中的曲線在不同流速下的曲線斜率，計算出不同流速下的靈敏度曲線。

圖5是本發(fā)明傳感器的在三種流速下的時間響應圖。

本發(fā)明的特色在于：1.具有超高的微流速靈敏度，同輸入功率、同流速下，比之前發(fā)表過的同樣基于熱效應的微流速傳感器(Optics Letters,39,5877-5880，2014年)的靈敏度提升了1個數(shù)量級；2.實施中僅需要一個輸入光源，同時作為信號光源和泵浦光源，結構簡單。3.在光路與液體分離不干擾的情況下，能夠實現(xiàn)光液長距離的相互作用。