一種提高光纖法珀傳感器靈敏度和檢測范圍的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種調(diào)制光纖法珀傳感器靈敏度和線性測量范圍的方法。通過本方法在光纖法珀傳感器端面修飾二氧化鈦納米薄膜，不但可以提高光纖法珀傳感器的靈敏度和折射率測量范圍，而且二氧化鈦納米薄膜在室溫條件下即可制備，操作簡便，不需要昂貴的儀器設(shè)備，大大縮短了調(diào)制光纖法珀傳感器靈敏度的時間和降低了成本，可為折射率測量提供可靠的依據(jù)，在生化分析及其它折射率分析中具有重要的作用。
【專利說明】一種提高光纖法珀傳感器靈敏度和檢測范圍的方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及改進(jìn)光纖法珀傳感器在折射率檢測方面的靈敏度和檢測范圍的一種方法。
【背景技術(shù)】
[0003]近年來，隨著工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、國防科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對生物醫(yī)藥篩選、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境分析、食品安全檢測、國防安全檢測及保護(hù)等領(lǐng)域的分析檢測手段提出了新的迫切需求。光纖折射率傳感器由于低成本、易制作、小尺寸、抗電磁干擾、傳輸過程中的低能量損耗、耐酸堿腐蝕、高的性能可靠性、易于聯(lián)網(wǎng)、可遠(yuǎn)距離操控等許多優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。光纖折射率傳感器主要包括馬赫-曾德爾干涉儀、布拉格光柵、長周期光柵、光纖法珀傳感器等。光纖馬赫-曾德爾干涉儀雖然比較靈敏，但是非常脆弱的結(jié)構(gòu)限制了它的實(shí)際應(yīng)用；布拉格光柵用于折射率測量時，通常要進(jìn)行腐蝕，其才能顯現(xiàn)出對折射率的靈敏性，其不利的結(jié)果是引起了其機(jī)械強(qiáng)度的降低；未經(jīng)調(diào)制的長周期光柵本身對折射率的靈敏度通常不是很高，而且存在難以消除的溫度交叉影響。相對于上述光纖折射率傳感器，光纖法珀傳感器體積更小，而且不受溫度的交叉影響，因此，在折射率傳感【技術(shù)領(lǐng)域】得到了很好的應(yīng)用。
[0004]目前，利用光纖法珀傳感器來測量介質(zhì)的折射率一般通過兩種方式:一種是姜德生、饒?jiān)平ai Xiao等人使用的方法，(魏仁選，姜德生.基于F-P干涉波長的溶液濃度測量方法研究[J].光電子.激光，2003，14 (6) =655-656.魏仁選，姜德生.基于F-P干涉波長的折射率測量[J].中國激光，2003，30 (6):551-554.魏仁選，姜德生.基于光纖F-P干涉波長的溶液濃度測量系統(tǒng)研究[J].中國激光，2004,31 (9):1127-1131.Y.J.Raoj M.Deng, D.W.Duan.T.Zhuj In-line fiber Fabry-Perotrefractive-1ndex tip sensor ba sed on endlessly photonic crystal fiber [J].Sensors and Actuators A !Physical，2008，148 (1):33-38.Tao Weij Yukun Han Yanjun Li， Ha1-Lung Tsai, and Hai Xia0.Temperature-1nsensitive miniaturized fiber inline Fabry-Perot interferometerfor highly sensitive refractive index measurement [J].0ptics Express,2008，16
(8):5764- 5769.)這種方法是把待測介質(zhì)注入到法珀腔的空腔內(nèi)，利用法珀傳感器反射光譜的條紋漂移量來判斷介質(zhì)的折射率。這種方法測量的靈敏度較高，但也有兩點(diǎn)不利因素:
(I)把待測介質(zhì)注入、吸出法珀腔內(nèi)以及法珀腔內(nèi)后續(xù)清洗處理較困難；(2)法珀傳感腔的反射一般需要在腔內(nèi)鍍膜來提高對比度，鍍膜時的操作條件比較苛刻，需要昂貴的儀器設(shè)備，不適于通常的實(shí)驗(yàn)條件操作。[0005]另一種饒?jiān)平?、龔元等人使用的方?Z.L.Ran, Y.J.Rao, ff.J.Liu, X.Liao, K.Chiang.Laser-micromachined Fabry-Perot optical fiber tip sensor forhigh-resolution temperature-1ndependent measurement of refractive index [J].0ptics Express,2008,16 (3):2252-2263.A ray-transfer-matrix model for hybrid fiber Fabry-Perot sensor based ongraded-1ndex multimode fiber [J].0ptics Express,2010,18 (15): 15844-15852.龔元，郭宇，饒?jiān)平w天，吳宇，冉曾令.光纖法布里-珀羅復(fù)合結(jié)構(gòu)折射率傳感器的靈敏度分析[J].物理學(xué)報，2011，60 (6):298-303.)，這種方法是將光纖法珀傳感器的傳感頭浸入待測介質(zhì)，利用反射光譜的條紋對比度來測量折射率，這類傳感器制作和測量過程比較簡單.但也存在一些缺點(diǎn):(I)靈敏度不足夠高；(2)線性范圍一般較窄，無法實(shí)現(xiàn)寬范圍的折射率測量。
[0006]我們在前面的研究中，通過靜電層層自組裝技術(shù)，在光纖法珀傳感器傳感頭端面組裝了 roDA/PSS聚合物薄膜，但是靈敏度改變幅度不大，而且這種技術(shù)非常耗時，由于每一層的厚度僅為幾納米或十幾納米，而為了調(diào)整光纖法珀傳感器的敏感性，通常要在其端面組裝幾十層或數(shù)百層薄膜，這就需要花費(fèi)數(shù)天的時間來完成。
[0007]我們還嘗試在端面直接浸涂金屬氧化物的溶膠凝膠溶液，這種方法雖然能夠快速地改變光纖法珀傳感器的折射率靈敏度，然而，這種方法很難精確地控制薄膜的厚度，很難精確地調(diào)控光纖法珀傳感器的靈敏度。要消除這些缺點(diǎn)，必須尋找新的調(diào)控方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明方法通過低溫化學(xué)濕法液相沉積技術(shù)，對上述方法進(jìn)行了改進(jìn)，大大地提高了法珀傳感器的靈敏度和拓寬了其線性檢測范圍。
[0009]本發(fā)明的目的及所要解決的技術(shù)問題是:提供一種能夠精確調(diào)控光纖法珀折射率傳感器靈敏度和準(zhǔn)確調(diào)節(jié)折射率檢測范圍的方法。
[0010]本發(fā)明提供一種其 技術(shù)方案是:采用化學(xué)濕法液相沉積技術(shù)在光纖法珀傳感器的傳感頭端面上生長厚度精確可控的納米晶體薄膜的方法。其特點(diǎn)是:這種技術(shù)操作簡單，原料價廉易得，并且可根據(jù)實(shí)際需要隨意快速調(diào)節(jié)納米薄膜的厚度。制備過程幾小時內(nèi)即可完成，大大節(jié)省了制膜時間(從層層自組裝納米技術(shù)的幾十小時數(shù)百小時縮短為幾小時)，提高了調(diào)制效率；而且制得的納米薄膜穩(wěn)定性更強(qiáng)，更加有利于生化物質(zhì)的檢測。其技術(shù)效果是:快速準(zhǔn)確地在納米尺度上調(diào)節(jié)光纖法珀傳感器傳感頭端面薄膜的生長速度，從而快速準(zhǔn)確地調(diào)整光纖法珀傳感器對不同折射率的敏感性及其檢測范圍，拓展長周期光柵在生化物質(zhì)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。利用本發(fā)明方法可以快速制備納米薄膜，對光纖法珀傳感器進(jìn)行調(diào)制，從而快速提高光纖法珀傳感器的靈敏度和折射率線性檢測范圍，對縮短光纖法珀傳感器的調(diào)制時間和提高調(diào)制效率具有重要的作用，在折射率檢測領(lǐng)域具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
[0011]我們首先選擇了一根光纖法珀傳感器考察了它對折射率的響應(yīng)，從圖1中可以看出反射光譜的條紋對比度折射率在f 1.4,1.2范圍內(nèi)與條紋對比度分別呈線性關(guān)系，折射率測量的靈敏度達(dá)39 dB/RI
我們在光纖法珀傳感器傳感頭端 面組裝了 TODA/PSS聚合物薄膜，如圖2所示。從圖2中可以看出，在組裝聚合物薄膜后，光纖法珀傳感器的條紋對比度下降。在1.457?1.4623折射率范圍內(nèi)，測量的靈敏度降為25 dB/RI。而且這種技術(shù)制膜非常耗時，制得的膜容易受鹽離子濃度、PH值、溫度等外界條件的影響，穩(wěn)定性差，難以實(shí)用化。
[0012]當(dāng)我們采用液相濕法在光纖法珀傳感器的傳感頭端面生長二氧化鈦納米薄膜時，隨時間增加，光纖法珀傳感器反射譜的變化如下面的圖3所示。
[0013]圖4給出了光纖法珀傳感器的條紋對比度與時間的關(guān)系。從圖4中可以看出，隨著時間的增加，條紋對比度先線性減小，然后線性逐漸增大，隨后再次線性逐漸減小，隨后又再次線性增大，呈現(xiàn)了一個線性減小線性增大交替循環(huán)的趨勢。
[0014]圖5給出了光纖法珀傳感器的條紋對比度與溫度的關(guān)系。從圖5中可以看出覆蓋二氧化鈦納米膜的光纖法珀傳感器仍然保持了不受溫度影響的優(yōu)良性能。
[0015]當(dāng)把二氧化鈦調(diào)制的光纖法珀傳感器用于不同濃度的蔗糖、氯仿、苯、二硫化碳等一系列不同折射率的物質(zhì)測量時，條紋對比度與折射率基本成線性關(guān)系變化，測量的靈敏度達(dá)到69.38 dB/RI，而沒被二氧化鈦調(diào)制之前，折射率測量的靈敏度僅為27 dB/RI，如圖
6。而且線性測量范圍從1.333-1.457 (二氧化鈦調(diào)制之前)拓展到1.333-1.8423 (二氧化鈦調(diào)制之后)。與龔元等人制作的光纖法珀傳感器相比，靈敏度和線性測量范圍也有大幅度的提高(龔元等人制作的光纖法珀傳感器對折射率測量的靈敏度為45dB/RIU，線性測量范圍1.3329— 1.4670。龔元，郭宇，饒?jiān)平?，趙天，吳宇，冉曾令.光纖法布里-珀羅復(fù)合結(jié)構(gòu)折射率傳感器的靈敏度分析[J].物理學(xué)報，2011，60 (6):298-303)。
[0016]這說明通過用二氧化鈦調(diào)制的方法，可以調(diào)控或提高光纖法珀傳感器的折射率靈敏度和線性測量范圍。而且這種方法適合任意一根光纖法珀傳感器的調(diào)制，具有普遍的實(shí)用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為初始光纖法珀傳感器對折射率的響應(yīng)。
[0018]圖2為光纖法珀傳感器傳感頭端面組裝了 H)DA/PSS聚合物薄膜后對折射率的響應(yīng)。
[0019]圖3為采用液相濕法在光纖法珀傳感器的傳感頭端面生長二氧化鈦納米薄膜時，隨時間增加，光纖法珀傳感器反射譜的變化。
[0020]圖4為光纖法珀傳感器的條紋對比度與時間的關(guān)系。
[0021]圖5為光纖法珀傳感器的條紋對比度與溫度的關(guān)系。
[0022]圖6為二氧化鈦調(diào)制的光纖法珀傳感器用于不同濃度的蔗糖時，條紋對比度與折射率基本成線性關(guān)系變化。
[0023]圖7為實(shí)施例一中結(jié)合了二氧化鈦薄膜的光纖法珀傳感器的條紋對比度。
[0024]圖8為實(shí)施例一中光纖法珀傳感器結(jié)合二氧化鈦薄膜時的厚度變化。
[0025]圖9為實(shí)施例二中結(jié)合了二氧化鈦薄膜的光纖法珀傳感器的條紋對比度。
[0026]圖10為實(shí)施例二中光纖法珀傳感器結(jié)合二氧化鈦薄膜時的厚度變化。
[0027]圖11為實(shí)施例三中結(jié)合了二氧化鈦薄膜的光纖法珀傳感器的條紋對比度。
[0028]圖12為實(shí)施例三中光纖法珀傳感器結(jié)合二氧化鈦薄膜時的厚度變化。
[0029]【具體實(shí)施方式】調(diào)控光纖法珀傳感器傳感性能的方法如下:
實(shí)例一:在60° C恒溫水浴條件下,將光纖法拍傳感器浸潰在0.04 mol/L的四氟化鈦TiF4的水溶液中，TiF4在水溶液中按式(I)發(fā)生水解配位交換平衡反應(yīng):
【權(quán)利要求】
1.一種提高光纖法珀傳感器靈敏度和測量范圍的方法，其特征在于:通過化學(xué)濕法在光纖法珀傳感器端面沉積二氧化鈦納米薄膜，取鈦的鹵化物，加入水，在低溫下攪拌，使之溶解，加入氨水或硼酸調(diào)節(jié)溶液的pH值，通過控制反應(yīng)的溫度、pH值、鹵化鈦的濃度，調(diào)控鈦鹵化物水解的速度，通過控制膜沉積的溫度和時間，調(diào)控光纖法珀傳感器端面的膜厚和提高光纖法珀傳感器的折射率傳感性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于:用于沉積二氧化鈦氧化物薄膜的鈦鹵化物包括四氟化鈦TiF4、四氯化鈦TiCl4、氟鈦酸銨(NH4)2TiF6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于:溫度20-90°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述，其特征在于:鈦鹵化物與水的摩爾比例為1100~10:100。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述，其特征在于:調(diào)節(jié)溶液的pH值所用試劑為氨水，pH為0.8~5。
【文檔編號】G01N21/41GK103884680SQ201210561136
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月21日
【發(fā)明者】李秋順, 史建國, 馬耀宏, 姜明順, 鄭暉, 孫士青, 李雪梅, 陳燕 申請人:山東省科學(xué)院中日友好生物技術(shù)研究中心