一种实心-U形液芯级联光纤倏逝波传感器及其制作方法

一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及倏逝波传感器领域，具体涉及一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器及其制作方法。

背景技术：

2.为了实现在线检测气体、液体成分及浓度，电化学、光电化学和光纤传感器已被开发。光纤传感技术是伴随着光纤通信的发展而出现的一门崭新的技术。光纤传感器是通过被测物理量(例如液体浓度、温度、折射率)对光纤内传输的光进行调制的，使传输光的强度(振幅)、相位、频率或偏振态等特性发生变化，然后再对被调制过的光信号进行检测，从而得出被测物理量的一种新型传感器。
3.光纤倏逝波传感器(如表面等离子共振光纤生物传感器、长周期光纤光栅生物传感器、光化学光纤传感器和光纤倏逝波传感器等)，由于具有耐化学腐蚀、抗电磁干扰、远距离传输、体积小等优点，已成为检测气体、液体成分及浓度最有前途的传感器之一。虽然光纤倏逝波传感器具有上述诸多优点，仍然存在灵敏度低的瓶颈问题。
4.为了提高光纤倏逝波传感器灵敏度，不同增敏方法和技术先后被发明。最简单的技术之一是优化传感区域形状，因此“u”形、“d”形、“s”形、锥形、双锥形和螺旋形光纤传感器先后被发明。在此基础上，表面等离子体共振(spr)和局部表面等离子体共振(lspr)增敏技术被采用。尽管优化传感器敏感区形状并结合spr或lspr可以进一步提高光纤传感器的灵敏度，但传感器灵敏度仍然取决于光纤表面的倏逝场强度。
5.现有技术中，常见的固体石英/塑料光纤为纤芯-包层结构，导致光在实心光纤内传输遵循纤芯-包层传输模式，纤芯-包层传输模将光限制在实心光纤纤芯内部传输，光纤表面辐射强度仅依赖于倏逝波场，实心光纤传感器的倏逝场强度低、透射深度小，导致实心光纤传感器敏感区表面发光强度低、倏逝波衰减系数小。
6.此外，光纤传感器敏感区表面辐射光能量为探测外界分析物浓度提供激发源，光纤敏感区表面辐射光越小，分析物与其作用强度越弱，导致光纤敏感期表面光吸收越多和光纤内部传输光衰减越小，传感器倏逝波衰减系数越小、灵敏度越低。因此，使用现有实心光纤很难制备出高灵敏度倏逝波光纤传感器。
7.u形液芯光纤是一种新型结构的光传输产品，它采用液体材料作为芯、聚合物材料作为光学包层和保护层，具有大芯径、大数值孔径、光谱传输范围广、光谱传输效率高、使用寿命长的特点。特别是该种光导的芯截面完全由同一种材料构成，可以避免玻璃或石英光纤传光束中因单丝集束时的空隙率引起的耦合损耗；能够传输数百瓦的光辐射而不被损坏；不存在玻璃或石英光纤传光束因使用中的反复弯曲导致日益严重的断丝和传光效率下降的问题。
8.u形液芯光纤相比于直线型液芯光纤来说，光纤表面发光强度更强，光纤表面光辐射能力更大，传感器倏逝波衰减系数更大，灵敏度更高。
9.综上所述，本发明探索一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，以求改变光在
实心光纤内部遵循的纤芯-包层传输模式，避免实心光纤表面发光强度低导致的传感器灵敏度低的现象，增强光纤表面光辐射能力，增大传感器倏逝波衰减系数，从而增强传感器的灵敏度。

技术实现要素：

10.本发明目的在于提供一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器及其制作方法，以解决光纤倏逝波传感器灵敏度低的技术问题。
11.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
12.一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，其特征在于，包括直线型的实心光纤1和两端密封的u形液芯光纤，所述实心光纤1具有实心光纤纤芯7，所述u形液芯光纤密封的两端分别连接至一个实心光纤1的光线输出端；所述u形液芯光纤包括u形液芯光纤包层9以及u形液芯光纤纤芯10；所述u形液芯光纤包层9为中空结构，所述u形液芯光纤纤芯10为悬浮颗粒物液芯材料，所述悬浮颗粒物液芯材料充盈于u形液芯光纤包层9的中空结构中。
13.优选的，所述悬浮颗粒物液芯材料为二氧化硅颗粒11掺杂乙醇悬浮液，所述悬浮颗粒物为二氧化硅颗粒11，所述二氧化硅颗粒11能够对入射光线进行散射；所述乙醇为无水乙醇，所述二氧化硅在乙醇中的质量浓度为5～35g/l。
14.优选的，所述实心光纤1还包括实心光纤包层6以及实心光纤保护层5，所述实心光纤包层6包覆于实心光纤纤芯7外侧，所述实心光纤包层6外侧包覆有实心光纤保护层5。
15.优选的，所述实心光纤纤芯7折射率n1大于实心光纤包层6折射率n2，所述液芯光纤纤芯10折射率n
′1小于液芯光纤包层9折射率n
′2，同时，所述实心光纤纤芯7折射率n1大于液芯光纤纤芯10折射率n
′1。
16.优选的，所述实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器的输出光强可以描述为如下公式：
[0017][0018]
式中，i'
out
为实心-液芯级联光纤倏逝波传感器传感区域的输出光强度，i'
in
为实心-液芯级联光纤倏逝波传感器传感区域的输入光强度，π为圆周率常数，a'是光纤的半径，δ是分析物体积衰减系数，λ是光源的波长，k'
inner
和k'
outer
为实心-液芯级联光纤弯曲区内表面和外表面的参数，l'1是实心-液芯级联光纤倏逝波传感器直形区的长度，l'2是实心-液芯级联光纤倏逝波传感器u形弯曲区的长度，r是液芯光纤的弯曲半径，θ
′
是光束入射到直线型实心光纤纤芯与实心光纤包层界面的入射角，n
′1为液芯光纤纤芯折射率，k1和k2为常数参数，c为分析物浓度。
[0019]
所述实心-液芯级联光纤倏逝波传感器传感区域是指实心-液芯级联光纤倏逝波传感器的u形液芯光纤区域。
[0020]
本发明还公开了一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器的制作方法，利用如上所述一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，包括以下步骤：
[0021]
步骤1、制备u形液芯光纤液芯材料；将二氧化硅颗粒加入到无水乙醇中，将二氧化硅乙醇混合液进行超声分散，获得二氧化硅均匀分散的u形液芯光纤液芯材料；
[0022]
步骤2、制备u形液芯光纤；将u形空心毛细石英光纤在硝酸溶液中浸泡预设时间，
清洗后对u形空心毛细石英光纤进行干燥处理，将步骤1中制备的u形液芯光纤液芯材料注入空心毛细石英管内，然后将注满了液芯材料的u形液芯光纤两端口进行密封，获得u形液芯光纤；
[0023]
步骤3、将u形液芯光纤的两端分别连接一个实心光纤，即可获得实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器。
[0024]
优选的，步骤1中，所述二氧化硅颗粒为单分散二氧化硅微球，其粒径直径为200～3000nm；二氧化硅在乙醇中的质量浓度为5～35g/l。
[0025]
优选的，步骤2中，所述u形空心毛细管石英光纤外径为300～2000μm、内径为200～1000μm，u形空心毛细石英光纤包层(石英)厚度为100～1000μm、直形区域长度5～100mm、弯曲区域曲率为5～50mm。
[0026]
优选的，步骤3中，所述实心光纤长度≥3cm，纤芯直径为200～1000μm。
[0027]
优选的，步骤3中，u形液芯光纤与实心光纤通过光纤连接器进行熔接。
[0028]
本发明具有以下有益效果：
[0029]
1、本发明的实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器中u形液芯光纤区域为传感器敏感区域，u形液芯光纤表面能够产生倏逝波、发生光辐射，为感知外界分析物信息提供激发光能量。
[0030]
2、本发明的实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器的传感器传感区域的液芯内含有悬浮颗粒物，使光在实心光纤与u形液芯光纤内的折射、悬浮颗粒物对光的散射、u形结构改变光在实心光纤内部的传输模式(实心光纤内部光传输遵循纤芯-包层模式，导致实心光纤表面发光强度低)，即u形液芯光纤中光不再遵循纤芯-包层传输模式，增强了光纤表面光辐射能力，进而增大了传感器倏逝波衰减系数和光纤内部传输光强。
[0031]
3、本发明实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器具有u形液芯光纤表面发光强度高，倏逝波衰减系数大、传感器灵敏度高的优点。
[0032]
4、本发明采用的u形液芯光纤相比于直线型液芯光纤来说，光纤表面发光强度更强，光纤表面光辐射能力更大，传感器倏逝波衰减系数更大，灵敏度更高。
附图说明
[0033]
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
[0034]
图1为本发明的实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器结构示意图。
[0035]
图2为本发明的实心石英u形光纤结构及其光传输路径示意图。
[0036]
图3为本发明的实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器结构及其光传输路径示意图。
[0037]
图4为本发明实施例的传感器敏感区表面辐射光谱。
[0038]
图5为本发明实施例的传感器敏感区表面辐射光强。
[0039]
图6为本发明实施例的传感器灵敏度(传感器输出光强相对变化量与葡萄糖浓度间的关系),
[0040]
附图标记说明：1、实心光纤；2、连接区；31、第一直形区；32、第二直形区；4、弯曲区；5、实心光纤保护层；6、实心光纤包层；7、实心光纤纤芯；8、uv无影胶；9、u形液芯光纤包
层；10、u形液芯光纤纤芯；11、二氧化硅颗粒；12、u形实心光纤纤芯；13、u形实心光纤包层；14、u形实心光纤直形区；15、u形感应区；16、u形实心光纤纤芯外表面；17、u形实心光纤纤芯内表面。
具体实施方式
[0041]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
[0042]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
为了解决光纤倏逝波传感器灵敏度低的技术问题，本发明公开了一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，以求改变光在实心光纤内部遵循的纤芯-包层传输模式，避免实心光纤表面发光强度低导致的传感器灵敏度低的现象，增强光纤表面光辐射能力，增大传感器倏逝波衰减系数，从而增强传感器的灵敏度。
[0044]
如图1所示，基于以上要解决的技术问题，本发明公开了一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，包括直线型的实心光纤1和两端密封的u形液芯光纤，所述u形液芯光纤密封的两端分别连接至一个实心光纤1的光线输出端；所述u形液芯光纤包括u形液芯光纤包层9以及u形液芯光纤纤芯10；所述u形液芯光纤包层9为中空结构，所述u形液芯光纤纤芯10为悬浮颗粒物液芯材料，所述悬浮颗粒物液芯材料充盈于u形液芯光纤包层9的中空结构中。
[0045]
具体的，所述u形液芯光纤包括第一直形区31、第二直形区31和弯曲区4；其中第一直形区31和第二直形区31呈柱状，所述弯曲区4沿曲线弯折，且弯折的角度为180度，所述第一直形区31、弯曲区4和第二直形区31依次首尾相接，形成外形整体大致呈“u”形的液芯光纤；所述u形液芯光纤的两端采用uv无影胶8进行密封；所述u形液芯光纤与实心光纤1通过光纤连接器进行熔接，使u形液芯光纤两端分别与实心光纤1连接牢固。
[0046]
具体的，所述实心光纤1还包括实心光纤包层6以及实心光纤保护层5，所述实心光纤包层6包覆于实心光纤纤芯7外侧，所述实心光纤包层6外侧包覆有实心光纤保护层5。
[0047]
本发明的实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器中u形液芯光纤区域为传感器的传
感区域，也即传感器的敏感区域，u形液芯光纤表面能够产生倏逝波、发生光辐射，为感知外界分析物信息提供激发光能量；由于光在实心光纤与u形液芯光纤内的折射、悬浮颗粒物对光的散射、u形结构改变光在实心光纤内部的传输模式(实心光纤内部光传输遵循纤芯-包层模式，导致实心光纤表面发光强度低)，即u形液芯光纤中光不再遵循纤芯-包层传输模式，增强了光纤表面光辐射能力，进而增大了传感器倏逝波衰减系数和光纤内部传输光强；本发明实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器具有u形液芯光纤表面发光强度高，倏逝波衰减系数大、传感器灵敏度高的优点。
[0048]
作为优选，所述实心光纤1为实心石英光纤或实心塑料光纤。
[0049]
作为优选，所述悬浮颗粒物液芯材料为二氧化硅颗粒11掺杂乙醇悬浮液，所述悬浮颗粒物为二氧化硅颗粒11，所述二氧化硅颗粒11能够对入射光线进行散射；所述乙醇为无水乙醇，所述二氧化硅在乙醇中的质量浓度为5～35g/l。
[0050]
作为优选，所述实心光纤纤芯7折射率n1大于实心光纤包层6折射率n2，所述液芯光纤纤芯10折射率n
′1小于液芯光纤包层9折射率n
′2，同时，所述实心光纤纤芯7折射率n1大于液芯光纤纤芯10折射率n
′1。
[0051]
本发明的实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器内光线的折射过程具体为：由于实心光纤纤芯折射率n1大于液芯光纤纤芯折射率n
′1和液芯光纤包层折射率n
′2大于液芯光纤纤芯折射率n
′1，所以当光从实心光纤传输至u形液芯光纤界面时将发生折射；随后折射光传输至u形液芯光纤中，由光纤液芯材料中的sio2悬浮颗粒进行散射；接着散射光传输至u形液芯光纤纤芯与包层界面将再次发生折射进入u形液芯光纤包层，最后传输至光纤包层与分析物界面，并在光纤包层表面进行光辐射。
[0052]
光纤表面辐射光能量为探测外界分析物浓度提供激发源，光纤表面辐射光越强，分析物与其作用强度越大，导致光纤表面光吸收越多和光纤内部传输光衰减越强，传感器倏逝波衰减系数越大、灵敏度越高。
[0053]
本发明还公开了一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器的制作方法，利用如上所述一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，其特征在于，包括以下步骤：
[0054]
步骤1、制备u形液芯光纤液芯材料；将二氧化硅颗粒加入到无水乙醇中，将二氧化硅乙醇混合液进行超声分散，获得二氧化硅均匀分散的u形液芯光纤液芯材料；
[0055]
步骤2、制备u形液芯光纤；将u形空心毛细石英光纤在硝酸溶液中浸泡预设时间，清洗后对u形空心毛细石英光纤进行干燥处理，将步骤1中制备的u形液芯光纤液芯材料注入空心毛细石英管内，然后将注满了液芯材料的u形液芯光纤两端口进行密封，获得u形液芯光纤；
[0056]
步骤3、将u形液芯光纤的两端分别连接一个实心光纤，即可获得实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器。
[0057]
步骤1中，所述二氧化硅颗粒为单分散二氧化硅微球，其粒径直径为200～3000nm。
[0058]
步骤1中，二氧化硅在乙醇中的质量浓度为5～35g/l。
[0059]
步骤1中，将二氧化硅乙醇混合液超声分散时采用的超声功率为100-180w，超声分散采用水浴超声波清洗机超声分散10～20min。
[0060]
步骤2中，所述硝酸溶液的浓度为2～5mol/l，预设时间是指20-30分钟。
[0061]
步骤2中，所述u形空心毛细管石英光纤外径为300～2000μm、内径为200～1000μm，
u形空心毛细石英光纤包层(石英)厚度为100～1000μm、直形区域长度5～100mm、弯曲区域曲率为5～50mm。
[0062]
步骤2中，所述清洗包括超声清洗和超纯水冲洗，所述超声清洗时采用超声功率160-200w的水浴超声波清洗机超声清洗5～10min，用于清洗空心毛细石英光纤内外表面的污染物，超声清洗后采用超纯水冲洗5～10min，洗净空心毛细石英光纤内外表面负责的硝酸；所述干燥处理是指随后采用氮气吹干空心毛细石英光纤内外表面附着的水分子，然后，将空心毛细石英光纤放入真空干燥箱中，在150～200℃下干燥3～5h，用于除去空心毛细石英光纤内外表面附着的水分子。
[0063]
具体的，步骤2中，将u形液芯光纤液芯材料采用注射泵注入空心毛细石英管内。
[0064]
具体的，步骤2中，采用uv无影胶将注满了液芯材料的u形液芯光纤两端口进行密封，然后采用手术刀将封口的u形液芯光纤两端切割平整，并用光纤研磨纸研磨光滑，即获得u形液芯光纤。
[0065]
步骤3中，所述实心光纤两端采用光纤研磨纸研磨光滑，所述实心光纤长度≥3cm，纤芯直径为200～1000μm。
[0066]
步骤3中，u形液芯光纤与实心光纤通过光纤连接器进行熔接，使u形液芯光纤两端分别与实心光纤连接牢固。
[0067]
熔接的具体步骤为：首先所述实心光纤两端采用光纤研磨纸研磨光滑，然后将研磨至光滑的实心光纤一端接上光纤连接器；最后利用光纤熔接机将2根研磨至光滑的实心光纤另一端分别与u形液芯光纤两端熔接起来，即获得实心-液芯级联光纤，即为实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器；在实心-液芯级联光纤中，u形液芯光纤表面将产生倏逝波、发生光辐射，为感知外界分析物信息提供激发光能量，即实心-液芯级联光纤中u形液芯光纤区域为传感器敏感区域。
[0068]
采用本发明所公开的一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器及其制作方法具有如下技术效果：
[0069]
本发明的实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器中u形液芯光纤区域为传感器敏感区域，u形液芯光纤表面能够产生倏逝波、发生光辐射，为感知外界分析物信息提供激发光能量；
[0070]
本发明的实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器的传感器传感区域的液芯内含有悬浮颗粒物，使光在实心光纤与u形液芯光纤内的折射、悬浮颗粒物对光的散射、u形结构改变光在实心光纤内部的传输模式(实心光纤内部光传输遵循纤芯-包层模式，导致实心光纤表面发光强度低)，即u形液芯光纤中光不再遵循纤芯-包层传输模式，增强了光纤表面光辐射能力，进而增大了传感器倏逝波衰减系数和光纤内部传输光强；
[0071]
本发明实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器具有u形液芯光纤表面发光强度高，倏逝波衰减系数大、传感器灵敏度高的优点；本发明采用的u形液芯光纤相比于直线型液芯光纤来说，光纤表面发光强度更强，光纤表面光辐射能力更大，传感器倏逝波衰减系数更大，灵敏度更高。
[0072]
在此基础上，本发明建立了实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器内光传输理论模型及测量液体浓度的理论模型，并测试了多种溶液的浓度，结果显示本发明传感器的灵敏度大于实心光纤5～10倍。
[0073]
如图2所示，实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器内光传输理论模型的理论基础为u形实心光纤传感器工作原理。
[0074]
所述u形实心光纤传感器包括u形实心光纤纤芯12以及u形实心光纤包层13，所述u形实心光纤包层13包覆于u形实心光纤纤芯12外侧，所述u形实心光纤传感器包括直形区14和u形感应区15，所述u形感应区15沿曲线弯折，且弯折的角度为180度，所述直形区与u形感应区依次首尾相接，所述u形感应区即为传感器的传感区域，具体为：
[0075]
如图2所示，实心光纤中光线i
in
在纤芯-包层界面处通过全反射被限制在纤芯中，传感器敏感区表面具有微弱的倏逝波。因此，实心光纤倏逝波传感器检测分析物浓度的机理是基于光纤传感区域表面分析物对微弱倏逝波的吸收，进而导致实心光纤内部传输光强发生微弱衰减，通过测量传感器输出光强的改变量来实现对分析物浓度的测量。实心光纤中传输的光能经分析物对倏逝波衰减后，输出光强i
out
表示如式(1)所示：
[0076]iout
＝i
in
e-ξ(n)l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0077]
式(1)中，i
out
为u形实心光纤倏逝波传感器传感区域的输出光强度，i
in
为u形实心光纤倏逝波传感器传感区域的输入光强度，ξ(n)为实心光纤倏逝波传感器传感区域分析物的倏逝波衰减系数，l为实心光纤倏逝波传感器传感区域长度(l＝l1+l2；l1和l2分别是u形实心光纤传感器的直形区和u形感应区的长度)。
[0078]
对于u形实心光纤倏逝波传感器，包括直形区和u形感应区，ξ(n)遵循：ξ(n)＝ξ1(n)+ξ2(n)；其中，ξ1(n)和ξ2(n)分别为直形区和u形感应区的倏逝波衰减系数。
[0079]
对于u形实心光纤倏逝波传感器，ξ1(n)的表达式如式(2)所示：
[0080][0081]
式(2)中，δ是分析物体积衰减系数；λ是光源的波长；n为分析物折射率；a是光纤的半径；n1为纤芯的折射率；θ是光束入射到直线区的u形实心光纤纤芯与u形实心光纤包层界面的入射角。
[0082]
对于u形实心光纤倏逝波传感器，ξ2(n)的表达式如式(3)所示：
[0083][0084]
式(3)中，其中[ξ
eff
(n)]
outer
和[ξ
eff
(n)]
inner
分别代表u形感应区域外表面和内表面的倏逝波吸收系数；a是光纤的半径；n1为纤芯的折射率；则u形弯曲实心光纤芯外表面的参数k
outer
是a、n1和θ的函数。
[0085]
当实心光纤内部光束传输至u形感应区域时，θ的积分在u形实心光纤纤芯外表面16和u形实心光纤纤芯内表面17分别变为角度和ψ。
[0086]
则参数k
outer
的表达式如式(4)所示：
[0087][0088]
式(4)中，n1为纤芯的折射率；a是光纤的半径；h是图2中a点和b点之间的距离，为θ在u形感应区域u形实心光纤纤芯外表面16的积分，且的范围从到到和的表达式
可以表示为：
[0089][0090]
式(5)中，r是光纤的弯曲半径(即图2中ao间的距离)，h是图2中a点和b点之间的距离，n2为实心光纤包层的折射率。
[0091]
类似地，u形弯曲实心光纤芯内表面的参数k
inner
可表示为，
[0092][0093][0094]
式(6a)和式(6b)中，n1为纤芯的折射率；a是光纤的半径；h是图2中a点和b点之间的距离，θ是光束入射到直线区的u形实心光纤纤芯与u形实心光纤包层界面的入射角，ψ为θ在u形感应区域u形实心光纤纤芯内表面17的积分，且ψ的变化范围从ψ1到ψ2，r是光纤的弯曲半径(即图2中ao间的距离)，h是图2中a点和b点之间的距离，为θ在u形感应区域u形实心光纤纤芯外表面16的积分，且的变化范围从到
[0095]
因此，使用式(1)、式(2)和式(3)，u形实心光纤内部传输的光强经倏逝波衰减后的输出光强可进一步表示为：
[0096][0097]
式(7)中，i
out
为u形实心光纤倏逝波传感器传感区域的输出光强度，i
in
为u形实心光纤倏逝波传感器传感区域的输入光强度，ξ1(n)和ξ2(n)分别为u形实心光纤直形区和u形感应区的倏逝波衰减系数，l1和l2分别是u形实心光纤传感器的直形区和u形感应区的长度，k
outer
为u形实心光纤芯外表面的参数，k
inner
为u形实心光纤芯内表面的参数，δ是分析物体积衰减系数，λ是光源的波长，n为分析物折射率，r是光纤的弯曲半径(即图2中ao间的距离)。
[0098]
当分析物的折射率n小于实心纤芯折射率n1(即n/n1《1)时，式(7)可以应用泰勒展开式，并仅使用泰勒级数的前两项来进一步简化，简化后式(7)可以写成：
[0099][0100][0101]
式(8a)和式(8b)中，i
out
为u形实心光纤倏逝波传感器传感区域的输出光强度，i
in
为u形实心光纤倏逝波传感器传感区域的输入光强度，n为分析物折射率，δ是分析物体积衰减系数，λ是光源的波长，θ是光束入射到直线区的u形实心光纤纤芯与u形实心光纤包层界面的入射角，l1和l2分别是u形实心光纤传感器的直形区和u形感应区的长度，π为圆周率常数，a是光纤的半径，n1为纤芯的折射率，r是光纤的弯曲半径(即图2中ao间的距离)，k
outer
为u形实心光纤芯外表面的参数，k
inner
为u形实心光纤芯内表面的参数，η为实心光纤倏逝波传
感器(含u形区和直形区)灵敏度系数。
[0102]
式(8)即为实心倏逝波光纤传感器测量外界分析物折射率的理论模型。
[0103]
那么进一步的，光束在实心-液芯级联光纤中传播的光路图如图3所示，本发明公开的实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器工作原理如下所示：
[0104]
在图3中，实心-液芯级联光纤中，光束依次传输至实心光纤纤芯7和u形液芯光纤纤芯10界面后，光线i
in
被折射到液芯(因为实心光纤纤芯折射率n1大于u形液芯光纤纤芯折射率n
′1)，从而改变实心-液芯级联光纤中光传输模式。随后，i
in
入射到u形液芯光纤中，由液芯材料中悬浮的二氧化硅(sio2)颗粒对其散射，进一步改变光的传输路径，h增大为h
′
，即由图2中a点和b点之间的距离变为图3中d点和e点之间的距离，同时也导致光束入射到直线型实心光纤纤芯与实心光纤包层界面的入射角进一步缩小至θ
′
，且θ'可表示为，
[0105][0106]
式(9)中，n
′1为u形液芯光纤纤芯折射率，n
′2为u形液芯光纤包层折射率，n为二氧化硅(sio2)颗粒对光的散射次数，β为二氧化硅(sio2)颗粒对光的散射角度；σ为光束在实心光纤纤芯和u形液芯光纤纤芯界面上的折射角，且可以表示为：
[0107][0108]
此外，相比于u形实心光纤，在实心-液芯级联光纤中，光入射到弯曲区内外表面的入射角由和ψ分别减小到和ψ'；因为光束在u形实心光纤纤芯与u形液芯光纤纤芯界面发生折射率，二氧化硅(sio2)颗粒对光的散射、u形液芯光纤纤芯与包层界面处发生光折射(u形液芯光纤纤芯折射率n
′1小于其包层的折射率n
′2)。因此，和ψ'表示为，
[0109][0110][0111]
式(11a)和(11b)中，π为圆周率常数，n
′1为u形液芯光纤纤芯折射率，n
′2为u形液芯光纤包层折射率，n为二氧化硅(sio2)颗粒对光的散射次数，β为二氧化硅(sio2)颗粒对光的散射角度；σ为光束在实心光纤纤芯和u形液芯光纤纤芯界面上的折射角。
[0112]
结合方程(4)、(6a)和(11)可以看出，实心-液芯级联光纤弯曲区系数k'
inner
和k'
outer
分别大于实心光纤弯曲区系数k
inner
和k
outer
。
[0113]
因此，实心-液芯级联光纤倏逝波传感器灵敏度(含实心光纤区域和u形液芯区域)系数η'大于实心光纤倏逝波传感器灵敏度(含u形实心光纤直形区和u形感应区)系数η，且η'随着n和β的增加而增加，
[0114][0115]
式(12)中，η'为实心-液芯级联光纤倏逝波传感器灵敏度(含实心光纤区域和u形液芯区域)系数，a'是光纤的半径，δ是分析物体积衰减系数，λ是光源的波长，k'
inner
和k'
outer
为实心-液芯级联光纤弯曲区内表面和外表面的参数，l'1是实心-液芯级联光纤倏逝
波传感器直形区的长度，l'2是实心-液芯级联光纤倏逝波传感器u形弯曲区的长度，r是液芯光纤的弯曲半径(即图3中co间的距离)，n
′1为液芯光纤纤芯折射率，n为二氧化硅(sio2)颗粒对光的散射次数，β为二氧化硅(sio2)颗粒对光的散射角度。
[0116]
因此，相比于u形实心光纤，光束经过实心-液芯级联光纤后，输出与输入光强之间的函数表达式可表示为，
[0117][0118]
式(13)中，i'
out
为实心-液芯级联光纤倏逝波传感器传感区域的输出光强度，i'
in
为实心-液芯级联光纤倏逝波传感器传感区域的输入光强度，π为圆周率常数，a'是光纤的半径，δ是分析物体积衰减系数，λ是光源的波长，k'
inner
和k'
outer
为实心-液芯级联光纤弯曲区内表面和外表面的参数，l'1是实心-液芯级联光纤倏逝波传感器直形区的长度，l'2是实心-液芯级联光纤倏逝波传感器u形弯曲区的长度，r是液芯光纤的弯曲半径(即图3中co间的距离)，θ
′
是光束入射到直线型实心光纤纤芯与实心光纤包层界面的入射角，n
′1为液芯光纤纤芯折射率，n为分析物折射率。
[0119]
对比式(8)和式(13)可以看出，由于实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器增大了传感器倏逝波衰减系数，即增大了传感器灵敏度系数，进而导致传感器输出光强随着外界折射率n的增大衰减更大，进而提高实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器灵敏度。
[0120]
此外，对于液体分析物，分析物浓度与折射率具有一一对应线性关系，
[0121]
n＝k1+k2c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0122]
式(14)中，k1和k2为常数参数，c为分析物浓度。
[0123]
因此，使用式(13)和式(14)，实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器输出光强可以进一步描述为：
[0124][0125]
式(15)中，i'
out
为实心-液芯级联光纤倏逝波传感器传感区域的输出光强度，i'
in
为实心-液芯级联光纤倏逝波传感器传感区域的输入光强度，π为圆周率常数，a'是光纤的半径，δ是分析物体积衰减系数，λ是光源的波长，k'
inner
和k'
outer
为实心-液芯级联光纤弯曲区内表面和外表面的参数，l'1是实心-液芯级联光纤倏逝波传感器直形区的长度，l'2是实心-液芯级联光纤倏逝波传感器u形弯曲区的长度，r是液芯光纤的弯曲半径，θ
′
是光束入射到直线型实心光纤纤芯与实心光纤包层界面的入射角，n
′1为液芯光纤纤芯折射率，k1和k2为常数参数，c为分析物浓度。
[0126]
式(15)可以看出，实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器可实现对分析物浓度的准确测量。此外，相比于实心光纤倏逝波传感器，由于实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器中，液芯光纤纤芯折射率n
′1小于液芯光纤包层折射率n
′2，实心光纤纤芯折射率n1大于液芯光纤纤芯折射率n
′1，sio2掺杂剂用于产生光散射，进而改变光束在实心光纤内的遵循的纤芯-包层传输模式，增大传感器敏感区倏逝波衰减系数，即传感器灵敏度系数，进而提高传感器灵敏度。
[0127]
实施例
[0128]
首先将粒径直径为1000nm的单分散二氧化硅颗粒加入到无水乙醇中，配制成二氧化硅质量浓度为25g/l的二氧化硅乙醇混合液，并将二氧化硅乙醇混合液采用超声功率160w的水浴超声波清洗机超声分散10min，即获得二氧化硅均匀分散的u形液芯光纤液芯材料。
[0129]
其次将外径为900μm、内径为500μm、直形区域长度25mm、弯曲区域曲率为5mmu形空心毛细管石英光纤采用浓度3mol/l的硝酸浸泡20min后，采用超声功率160w的水浴超声波清洗机超声清洗5min，并采用超纯水冲洗5min后，采用氮气吹干后，在150下干燥3h取出，冷却至常温后将二氧化硅均匀分散的u形液芯光纤液芯材料注入空心毛细石英管内。
[0130]
接着采用uv无影胶密封好注满了液芯材料的u形液芯光纤两端口，并采用手术刀将封口的u形液芯光纤两端切割平整，并用光纤研磨纸研磨光滑，即获得u形液芯光纤。
[0131]
最后将直形区长度为50cm、纤芯直径为500μm的实心光纤两端采用光纤研磨纸研磨光滑；然后将研磨至光滑的实心光纤一端接上sm905光纤连接器；最后利用光纤熔接机将2根研磨至光滑的实心光纤另一端分别与u形液芯光纤两端熔接起来，即获得实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，其中u形液芯光纤为传感器敏感区。
[0132]
为了对比实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器敏感区(u形液芯光纤)表面辐射光谱、发射光强和对葡萄溶液的响应灵敏度，制作了外径为900μm、内径为500μm、直形敏感区域长度25mm、弯曲敏感区域曲率为5mm的u形实心光纤倏逝波传感器，传感器敏感区表面辐射光谱、发射光强和对葡萄溶液的响应灵敏度如图4-图6所示(图4-图6中，实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器和u形实心光纤倏逝波传感器激发光源相同)。
[0133]
图4显示，实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器敏感区表面辐射光谱质量高于相同几何尺寸下实心u形实心光纤表面辐射的光谱。
[0134]
图5显示，实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器敏感区表面辐射光强高于相同几何尺寸下实心u形实心光纤表面辐射的光强。
[0135]
图6显示，实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器对葡萄糖浓度的响应灵敏度强高于相同几何尺寸下实心u形实心光纤倏逝波传感器对葡萄糖浓度的响应灵敏度，且是倏逝波传感器对葡萄糖浓度的响应灵敏度的6.6倍。其中，图6中，传感器输出光强相对变化量＝100％
×
(iout,c-iout,0)/iout,0，其中iout,c和iout,0分别表示葡萄糖浓度为c和葡萄糖浓度为0时传感器的输出光强。
[0136]
从本实施例能够得出以下结论：本发明公开的实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器改变了光在实心光纤内部的传输模式，实心光纤内部光传输遵循纤芯-包层模式，导致实心光纤表面发光强度低，即u形液芯光纤中光不再遵循纤芯-包层传输模式；增强了光纤表面光辐射能力，增大了传感器倏逝波衰减系数，传感器灵敏度较高。
[0137]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。因此，本发明不受此处所公开的具体实
施例的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

技术特征：

1.一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，其特征在于，包括直线型的实心光纤(1)和两端密封的u形液芯光纤，所述实心光纤(1)具有实心光纤纤芯(7)，所述u形液芯光纤密封的两端分别连接至一个实心光纤(1)的光线输出端；所述u形液芯光纤包括u形液芯光纤包层(9)以及u形液芯光纤纤芯(10)；所述u形液芯光纤包层(9)为中空结构，所述u形液芯光纤纤芯(10)为悬浮颗粒物液芯材料，所述悬浮颗粒物液芯材料充盈于u形液芯光纤包层(9)的中空结构中。2.根据权利要求1所述的一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，其特征在于，所述悬浮颗粒物液芯材料为二氧化硅颗粒(11)掺杂乙醇悬浮液，所述悬浮颗粒物为二氧化硅颗粒(11)，所述二氧化硅颗粒(11)能够对入射光线进行散射；所述乙醇为无水乙醇，所述二氧化硅在乙醇中的质量浓度为5～35g/l。3.根据权利要求1所述的一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，其特征在于，所述实心光纤(1)还包括实心光纤包层(6)以及实心光纤保护层(5)，所述实心光纤包层(6)包覆于实心光纤纤芯(7)外侧，所述实心光纤包层(6)外侧包覆有实心光纤保护层(5)。4.根据权利要求3所述的一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，其特征在于，所述实心光纤纤芯(7)折射率n1大于实心光纤包层(6)折射率n2，所述液芯光纤纤芯(10)折射率n
′1小于液芯光纤包层(9)折射率n
′2，同时，所述实心光纤纤芯(7)折射率n1大于液芯光纤纤芯(10)折射率n
′1。5.根据权利要求1所述的一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，其特征在于，所述实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器的输出光强可以描述为如下公式：式中，i'
out
为实心-液芯级联光纤倏逝波传感器传感区域的输出光强度，i'
in
为实心-液芯级联光纤倏逝波传感器传感区域的输入光强度，π为圆周率常数，a'是光纤的半径，δ是分析物体积衰减系数，λ是光源的波长，k'
inner
和k'
outer
为实心-液芯级联光纤弯曲区内表面和外表面的参数，l'1是实心-液芯级联光纤倏逝波传感器直形区的长度，l'2是实心-液芯级联光纤倏逝波传感器u形弯曲区的长度，r是液芯光纤的弯曲半径，θ
′
是光束入射到直线型实心光纤纤芯与实心光纤包层界面的入射角，n
′1为液芯光纤纤芯折射率，k1和k2为常数参数，c为分析物浓度。6.一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器的制作方法，利用如权利要求1所述一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、制备u形液芯光纤液芯材料；将二氧化硅颗粒加入到无水乙醇中，将二氧化硅乙醇混合液进行超声分散，获得二氧化硅均匀分散的u形液芯光纤液芯材料；步骤2、制备u形液芯光纤；将u形空心毛细石英光纤在硝酸溶液中浸泡预设时间，清洗后对u形空心毛细石英光纤进行干燥处理，将步骤1中制备的u形液芯光纤液芯材料注入空心毛细石英管内，然后将注满了液芯材料的u形液芯光纤两端口进行密封，获得u形液芯光纤；步骤3、将u形液芯光纤的两端分别连接一个实心光纤，即可获得实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器。
7.根据权利要求6所述的一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器的制作方法，其特征在于，步骤1中，所述二氧化硅颗粒为单分散二氧化硅微球，其粒径直径为200～3000nm；二氧化硅在乙醇中的质量浓度为5～35g/l。8.根据权利要求6所述的一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器的制作方法，其特征在于，步骤2中，所述u形空心毛细管石英光纤外径为300～2000μm、内径为200～1000μm，u形空心毛细石英光纤包层(石英)厚度为100～1000μm、直形区域长度5～100mm、弯曲区域曲率为5～50mm。9.根据权利要求6所述的一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器的制作方法，其特征在于，步骤3中，所述实心光纤长度≥3cm，纤芯直径为200～1000μm。10.根据权利要求6所述的一种实心-u形液芯级联光纤倏逝波传感器的制作方法，其特征在于，步骤3中，u形液芯光纤与实心光纤通过光纤连接器进行熔接。

技术总结

本发明公开了一种实心-U形液芯级联光纤倏逝波传感器，包括直线型的实心光纤和两端密封的U形液芯光纤，所述U形液芯光纤密封的两端分别连接至一个实心光纤的光线输出端；所述U形液芯光纤包括U形液芯光纤包层以及U形液芯光纤纤芯；所述U形液芯光纤包层为中空结构，所述U形液芯光纤纤芯为悬浮颗粒物液芯材料，所述悬浮颗粒物液芯材料充盈于U形液芯光纤包层的中空结构中；本发明改变了光在实心光纤内部遵循的纤芯-包层传输模式，避免实心光纤表面发光强度低导致的传感器灵敏度低的现象，增强光纤表面光辐射能力，增大传感器倏逝波衰减系数，大大增强了传感器的灵敏度。大大增强了传感器的灵敏度。大大增强了传感器的灵敏度。