专利名称：一种微纳光纤锁模激光传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及激光传感器领域，尤其涉及一种基于碳纳米管薄膜的微纳光纤锁模激光传感器及其制造方法。
背景技术：
微纳光纤是在微纳光子学理论基础上发展起来的，以空气为包层的介观尺度光波导线结构，它既不同于普通光纤，也不同于集成光波导结构。微纳光纤具有大比例的倏逝波传输、高非线性、高色散区、强倏逝波耦合、低弯曲损耗等特性。因此，它在一定程度上既能解决普通光纤所制作的光学器件尺寸很难缩小的问题，同时又能弥补集成光波导器件制作难度高和损耗较大的缺点和不足，使得其作为一类新型的微纳光子器件在光通信、光传感领域都有广泛的应用前景。Langmuir-Blogeet膜，简称LB膜，该膜最早由朗缪尔(I. Langmuir)和布劳杰特 (K. Blodgett)提出而得名，它是将具有亲水头和疏水尾的两亲分子分散在水面(亚相)上， 沿水平方向对水面施加压力，分子在水面上紧密排列，形成一层排列有序的不溶性单分子膜。LB膜技术就是将上述的气/液界面上的单分子膜转移到固体表面并实现连续转移组装的技术。LB膜具有膜厚可准确控制，制膜过程不需要很高的条件，简单易操作，膜中分子排列高度有序等特点，因此可实现在分子水平上的组装，在材料学、光学、电化学和生物仿生学等领域都具有广泛的应用前景。近年来已开展了众多研究，涉及生物膜仿生模拟、超薄膜制备、光学以及各种基于LB膜的传感器等方面。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有高灵敏度近场光学传感结构，而且适用于微量气体、液体等高精度、在线定量检测方面的基于碳纳米管薄膜的微纳光纤锁模激光传感器及其制造方法。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种微纳光纤锁模激光传感器，包括中间某段设为微纳光纤结构的普通光纤，所述普通光纤中的微纳光纤段上设有数层碳纳米管薄膜的单分子层，所述设有微纳光纤段的普通光纤的一端依次与光耦合器、光纤放大器、偏振控制器、光隔离器连接后连接于该普通光纤的另一端。一种微纳光纤锁模激光传感器的制造方法，包括如下步骤
a.将普通光纤的中间某段去掉涂覆层后拉制得到中间某段具有微纳光纤结构的普通光纤；
b.利用超声机分散好碳纳米管溶液并将其铺展到去离子水表面，使其形成均勻的、紧密排列的单分子薄膜；
c.利用LB镀膜技术将数层碳纳米管单分子薄膜镀在步骤a中所述普通光纤的微纳光纤段；
把步骤a中得到的微纳光纤段垂直插入到步骤b所得液体的液面，在膜压的作用下，气/液界面表面的碳纳米管连续转移到微纳光纤的表面，利用L B镀膜软件精确控制碳纳米管薄膜的层数和镀膜长度；
d.将通过步骤c后得到的微纳光纤与光隔离器，光纤放大器，偏振控制器和耦合器连接形成被动锁模激光器结构。进一步地，所述碳纳米管溶液为0. 19mg/ml的碳纳米管三氯甲烷溶液。进一步地，所述碳纳米管薄膜的单分子层为5 15层，每层厚度小于2纳米。进一步地，所述光纤放大器为掺饵光纤放大器(EDFA)。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果基于碳纳米管薄膜的微纳光纤构建锁模激光传感器，是将碳纳米管、亚波长直径微纳光纤与LB镀膜相结合的技术，将具有许多优良传感性质的碳纳米管转移到微纳光纤表面，形成一种具有很好的光学传感与非线性特性的复合光波导线。由于镀有碳纳米管薄膜的微纳光纤表面存在较强的光倏逝场分布， 因此，其表面碳纳米管薄膜可以有效地吸附液体或气体分子，并且与近场光子直接作用，使它具有突出的光学传感高精度测量和响应特性。同时这种基于碳纳米管薄膜微纳光纤的复合光波导线结构在新一代光子通信、光子器件和全光信号处理方面也有着广泛应用前景。将这种复合结构的光波导线与EDFA(掺饵光纤放大器)、耦合器、光隔离器和偏振控制器连接可构建一种被动锁模激光传感器，通过控制光在激光器谐振腔里的偏振态和 EDFA的增益来控制激光器的振荡，形成稳定的脉冲激光输出。同时，碳纳米管薄膜具有突出的吸附特性和快速恢复特性，使得微纳光纤表面光倏逝场能够充分地与碳纳米管薄膜所吸附的待测物质分子作用，从而调制该激光传感结构的输出激光脉冲宽度，通过精确测量脉冲展宽，可以反映待测物质分子浓度的变化量。这种镀有碳纳米管薄膜的微纳光纤所构建的被动锁模激光传感器可以作为一种高灵敏度的近场光学传感结构，在微量气体、液体等的高精度、在线定量检测方面有着良好的应用前景。
图1为本发明实施例制备微纳光纤的装置结构示意图； 图2为本发明实施例镀有碳纳米管的光纤结构示意图3为本发明实施例基于微纳光纤的LB镀膜原理简图4为本发明实施例基于LB镀膜技术制备碳纳米管薄膜微纳光纤的实验装置结构示意图5为本发明实施例的微纳光纤锁模激光传感器结构示意图。其中1、普通光纤2、除去涂覆层的光纤3、酒精灯4、微纳光纤5、碳纳米管分子层6、去离子水(亚相)7、滑杖8、膜天平9、掺饵光纤放大器(EDFA) 10、偏振控制器11、光隔离器12、光耦合器。
具体实施例方式下面将结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的描述。如图5所示，一种微纳光纤锁模激光传感器，包括中间某段设为微纳光纤结构的普通单模光纤1，所述普通单模光纤1中的微纳光纤段上设有5 15层碳纳米管薄膜的单分子层5，所述设有微纳光纤段的普通单模光纤1的一端依次与光耦合器12、掺饵光纤放大器(EDFA)9、偏振控制器10、光隔离器11连接后连接于该普通单模光纤1的另一端，作为优选， 所述光耦合器12为9:1的光耦合器。参见图广图5，一种制造上述微纳光纤锁模激光传感器的方法，包括如下步骤 将普通单模光纤1去掉涂覆层之后得到除去涂覆层的光纤2，在酒精灯3下加热拉制得
到微纳光纤4，所述微纳光纤4的直径为2 5微米，长度为5 10厘米；
将拉制好的微纳光纤4放置到LB镀膜系统的光纤夹具上，调节好微纳光纤4与液面的接触点；将1000微升配置好的0. 19mg/ml的碳纳米管三氯甲烷溶液逐滴滴到去离子水(亚相)6表面，待让三氯甲烷挥发一个小时后，形成碳纳米管薄膜的单分子层5。设定相关的镀膜软件参数，将膜压恒定在30mN，微纳光纤4提拉速度为0. 3mm/ min,利用LB镀膜技术和相关控制软件，在微纳光纤4上转移5 15层的碳纳米管薄膜的单分子层5，每层膜厚小于2纳米；被碳纳米管包裹的微光纤长度为1 5毫米。镀膜过程中每层的等待时间为2分钟。通过上述方式即可获得碳纳米管薄膜的光波导，再将这种结构的光波导线与掺饵光纤放大器(EDFA)9、光耦合器12、光隔离器11和偏振控制器10连接可构建被动锁模激光传感器，脉冲激光从耦合器的10%端口输出。此种基于碳纳米管薄膜的微纳光纤4的制备原理如图3所示，在一定的压力之下， 去离子水(亚相)6表面的碳纳米管分子构成紧密排列的单分子膜，微纳光纤4以一定的速度从液面沿垂直方向提出，在膜压的作用下，气/液界面表面连续转移到微纳光纤4表面， 构成了一层碳纳米管薄膜的单分子层5。如图4为LB镀膜实验装置，将碳纳米管溶液铺展在去离子水(亚相)6表面上，待其溶液三氯甲烷挥发后，表面形成碳纳米管薄膜的单分子层5。利用滑杖7向中心的挤压作用，在膜天平8的感知下使膜压维持在30mN。通过软件控制使微纳光纤4以一定的速度沿垂直方向运动。由于维持了 LB单分子层的膜压恒定，故而在微纳光纤4每次穿过液面的时候都会从气/液表面转移一层膜到微纳光纤4的表面。设置软件参数，重复5 15次，即可获得碳纳米管薄膜微纳光纤。此种基于碳纳米管薄膜的微纳光纤锁模激光传感器的制备参数如下镀膜过程中所用亚相为二次去离子水，电阻率为18. 25M Ω /cm，温度恒定在20摄氏度，PH值为7. 0。上述具体实施方法用来解释说明本发明装置，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利说明书的保护范围内，对本发明的任何改变与变动，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种微纳光纤锁模激光传感器，其特征在于包括中间某段设为微纳光纤结构的普通光纤，所述普通光纤中的微纳光纤段上设有数层碳纳米管薄膜的单分子层，所述设有微纳光纤段的普通光纤的一端依次与光耦合器、光纤放大器、偏振控制器、光隔离器连接后连接于该普通光纤的另一端。
2.根据权利要求1所述的微纳光纤锁模激光传感器，其特征在于所述碳纳米管薄膜的单分子层为5 15层，每层厚度小于2纳米。
3.根据权利要求1或2所述的微纳光纤锁模激光传感器，其特征在于所述光纤放大器为掺饵光纤放大器(EDFA)。
4.一种微纳光纤锁模激光传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤a.将普通光纤的中间某段去掉涂覆层后拉制得到中间某段具有微纳光纤结构的普通光纤；b.利用超声机分散好碳纳米管溶液并将其铺展到去离子水表面，使其形成均勻的、紧密排列的单分子薄膜；c.利用LB镀膜技术将数层碳纳米管单分子薄膜镀在步骤a中所述普通光纤的微纳光纤段；其中，把步骤a中得到的微纳光纤段垂直插入到步骤b所得液体的液面，在膜压的作用下，气/液界面表面的碳纳米管连续转移到微纳光纤的表面，利用L B镀膜软件精确控制碳纳米管薄膜的层数和镀膜长度；d.将通过步骤c后得到的微纳光纤与光隔离器，光纤放大器，偏振控制器和耦合器连接形成被动锁模激光器结构。
5.根据权利要求4所述的微纳光纤锁模激光传感器的制造方法，其特征在于所述碳纳米管溶液为0. 19mg/ml的碳纳米管三氯甲烷溶液。
6.根据权利要求4所述的微纳光纤锁模激光传感器的制造方法，其特征在于所述碳纳米管薄膜的单分子层为5 15层，每层厚度小于2纳米。
7.根据权利要求4或5或6所述的微纳光纤锁模激光传感器的制造方法，其特征在于 所述光纤放大器为掺饵光纤放大器(EDFA)。
全文摘要
本发明公开了一种微纳光纤锁膜激光传感器及其制造方法，该激光传感器包括中间某段设为微纳光纤结构的普通光纤，所述普通光纤中的微纳光纤段上设有数层碳纳米管薄膜的单分子层，所述设有微纳光纤段的普通光纤的一端依次与光耦合器、光纤放大器、偏振控制器、光隔离器连接后连接于该普通光纤的另一端。本发明通过控制光在激光器谐振腔里的偏振态和EDFA的增益来控制激光器的振荡，形成稳定的脉冲激光输出；这种镀有碳纳米管薄膜的微纳光纤所构建的被动锁模激光传感器可以作为一种高灵敏度的近场光学传感结构，在微量气体、液体等的高精度、在线定量检测方面有着良好的应用前景。
文档编号G01N21/00GK102323212SQ20111022983
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月11日 优先权日2011年8月11日
发明者吴宇, 贾兰, 饶云江 申请人:电子科技大学