[发明专利]一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器

说明书

本发明揭示了一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，该液相浓度传感器包括：波长可调谐窄带光源、微纳光纤、薄壁柱对称微腔、光电探测器和反馈控制单元，波长可调谐窄带光源、微纳光纤、光电探测器相互之间通过光纤熔融耦合连接，反馈控制单元分别与光电探测器和波长可调谐窄带光源电性连接，微纳光纤与薄壁柱对称微腔相互垂直进行耦合并激发高Q值回音壁模式共振谱，微纳光纤与薄壁柱对称微腔的中轴线保持异面垂直。本发明利用薄壁柱对称微腔作为传感单元与微量液相通道，结合回音壁模式共振效应以及微流控技术，加强光场与液相样品相互作用强度与时间，实现对液相浓度的高灵度、快速检测。

技术领域

本发明涉及一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，可用于传感器技术领域。

背景技术

液相浓度微量检测技术对于现代工业、农业、医学等领域的研究与发展具有重要的科学意义。其中，以水体盐度为代表的浓度精确检测技术，在海洋渔业及其他水产养殖业、自然环境的监测与治理、海洋学和地球气候的研究及预测、矿产的探测、工业生产以及军事应用等方面，都具有十分重要的意义。

目前常见的盐度测量方法包括：电导率法、折射率法、微波遥感技术和表面等离子共振法等。其中电导率法需要同时测量电导率值、温度及深度，从而推导出海水的盐度值；折射率法需要标定盐度与对应折射率来推算海水盐度；微波遥感技术只能对几毫米的海水表面进行测量；而表面等离子共振法测量系统结构复杂、成本费用较高。随着微纳加工技术的发展，微纳光学器件成为重要的光子学传感方法。微纳光纤作为一种典型的一维微纳光波导，具有低传输损耗、强场约束能力、大比例倏逝场、可灵活操作等特性，在构建小型化、高灵敏度传感器方面具有独特的优势。浙江大学提出了将微流控芯片检测通道与双锥形微纳光纤平行、垂直集成的检测结构。利用微纳光纤倏逝场激发荧光并收集荧光，实现了nL量级低耗样量、高灵敏度的浓度检测，检测精可达得7×10^-4RIU。然而，该方法在重复性、稳定性以及测量速度方面仍需要提升。

特别地，高品质因子微腔相比于其他微纳光纤器件，具有稳定性高、结构紧凑、制备简单、光与物质互作用时间与强度更强等优势，在高灵敏度传感领域和微量测量领域有很好的应用前景。如何结合微流控技术实现对液相浓度的微量、高灵敏度检测具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种薄壁柱对称微腔微量液相浓度传感器，包括波长可调谐窄带光源、微纳光纤、薄壁柱对称微腔、光电探测器和反馈控制单元，所述波长可调谐窄带光源、微纳光纤、光电探测器相互之间通过光纤熔融耦合连接，所述反馈控制单元分别与光电探测器和波长可调谐窄带光源电性连接，所述微纳光纤与薄壁柱对称微腔相互垂直耦合并激发高Q值回音壁模式共振，微纳光纤与薄壁柱对称微腔的中轴线保持异面垂直，入射光从微纳光纤的端进入微纳光纤锥区，通过倏逝场耦合进入薄壁柱对称微腔，在回音壁模式共振效应作用下加强光场与液相样品相互作用强度与时间，所述反馈控制单元通过电性连接控制可调谐窄带光源的输出波长λ和强度I1，同时还控制光电探测器检测经过微腔之后微纳光纤另一输出端的光强度I2，实时反馈和记录在不同波长λ处I₁-I₂的数值大小，即回音壁模式共振谱。

优选地，所述窄带光源的波长为可调谐。

优选地，回音壁模式共振谱会随着腔内液相材料的浓度发生漂移，即产生Δλ。

优选地，所述微纳光纤是由单模光纤经过拉锥机熔融拉锥制成。

优选地，所述薄壁柱对称微腔为高对称的中空圆柱型结构。

优选地，所述薄壁柱对称微腔由石英毛细管拉锥而成。

优选地，只有满足回音壁模式共振条件的谐振波长才能够在薄壁柱对称微腔内产生谐振，满足回音壁模式共振条件的谐振波长λ由下式决定：