[发明专利]基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高灵敏度微型传感器领域，涉及球形微谐振器及在其表面形成的沸石膜分子筛以及光纤传感技术，特别涉及一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器及其制备方法。

背景技术

微光学谐振器由于具有对折射率变化的高敏感性，已经被成功用于化学、生物传感器的开发，已研发的微谐振器形式包括球形、柱状，环形，盘形，矩形等，这些旋转对称的微谐振器支持高品质的回音廊模式(whispering gallery modes，简称WGMs)。其中，球形微谐振器因其极高的品质因数和极小的模式体积而受到日益广泛的关注，将在要求极细线宽、极高能量密度和极细微探测能力的场合中得到重要应用，在非线性光学、窄带光学滤波、超高灵敏度微型传感器等许多领域具有广泛的应用前景。

沸石是一种结晶型的铝硅酸盐，其晶体结构中有规整而均匀的孔道，孔径为分子大小的数量级(一般小于1纳米)，只允许直径比孔径小的分子进入，因此能将混合物中的分子按大小加以筛分。利用这一特性，可将沸石制备成厚度为微米级的薄膜分子筛。沸石的纳米孔径使其具有很大的比表面积，这种性质使它能有效地从周围环境中吸附被检测物质的分子并使其聚集并浓缩在一起。被检测物质的分子因为其大小和形状而被有选择性地吸附，从而导致沸石孔的光学结构和光学性质改变，例如折射率发生改变。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的微型光纤传感器，能够检测环境中特定分子的存在及浓度，如毒品蒸汽、炸药蒸汽、坑道气体分子，可应用于环境控制、工业过程处理、矿山生产、公共安全设施、反恐、缉毒、国土安全等领域，灵敏度达到ppm、ppb量级。

本发明的另一目的是提出一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器制备方法，使微谐振器的制备变得简单容易，重复性好；使微谐振器表面能得到厚度和孔径稳定的沸石膜；实现了纳米间隙的装配，得到最优的信号耦合，解决了传统微小型传感器组装困难的瓶颈。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于沸石分子筛镀膜微谐振器的微型光纤传感器，包括：纤芯103、包层101、保护层102、光学介质微球谐振器104、镀有沸石分子筛膜105。其中，纤芯103外包有包层101，包层101外覆盖保护层102，三者组成一根光纤主体，光纤主体沿横轴方向的中部被加工出一个凹槽并露出纤芯103，凹槽内固定一个带光纤微柄的镀有沸石分子筛膜105的光学介质微球谐振器104。

所说的光学介质微球谐振器的直径为40～80微米，其表面所镀的沸石分子筛膜厚度为1～10微米，平均孔径小于1纳米。

所说的光学介质微球谐振器与光纤主体之间的间隙为40～160纳米。

本发明基于沸石分子筛镀膜微谐振器的光纤传感器的制备方法如下：

第一步：取一根光纤，将中间部分的保护层剥去并露出光纤包层，利用脉冲激光高温将光纤中部局部熔融，使中部呈现锥状并逐渐变细，控制拉制过程使最细部分直径达几微米后至拉断；

第二步：用脉冲激光将光纤被拉断的末端局部熔融，在表面张力作用下光纤末端形成较标准的球形，通过控制时间长短来获得不同直径的介质微球，，冷却后得到一个带光纤微柄的谐振器微球；

所述时间为0.5～2分钟。

第三步：将10％的四丙基氨氢氧化合物溶液、8.5％的正硅酸乙酯溶液和蒸馏水按1∶2.33∶4.57的体积比例混合，搅拌均匀后将混合液放置到一个合成反应器中；

第四步：将第二步生成的带有光纤微柄的谐振器微球置于第三步中装有混合液的合成反应器中，然后在烘箱中烘焙后合成沸石膜；；

第五步：用蒸馏水清洗镀膜后的带有光纤微柄的谐振器微球，将镀膜的带光纤柄的微谐振器进行超声波浴；

上述的第五步后重复第四步以增加沸石膜厚度。

第六步：将第五步镀膜后的带有光纤微柄的谐振器微球在烘箱中焙烧，得到沸石分子筛镀膜的带光纤微柄的微谐振器；

第七步：将主体光纤的保护层102剥去一部分，用化学腐蚀方法腐蚀将光纤包层101腐蚀一部分露出纤芯103；

第八步：将第六步制备的镀有沸石分子筛膜105的微球谐振器104利用激光微焊接方法通过微柄固定在主体光纤凹槽内，固定后的微球与光纤凹槽上的纤芯103直接接触上；

第九步：利用微球谐振器104自身的形状和尺寸，采用飞秒激光近场加工，在微球谐振器104和纤芯103之间加工出40～160纳米的间隙。

至此完成了该微型光纤传感器的制备。

本发明的有益效果：