一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器

1.本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器。


背景技术：

2.紫外光为一种电磁波，其波长范围为10nm-400nm。经研究发现，不同波长频段的紫外光对人类的生产生活和科技发展有着不同程度的影响。紫外传感技术为传感技术的一种，可通过光敏原件将紫外光强度信号转换为可测量的电信号。紫外光的检测技术已遍布于人们生活的各个角落，基于紫外光检测的光纤紫外传感器具有体积小、制造简单、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强等优点被广泛应用于医疗、军事和科研领域。
3.传统紫外传感器大部分选用单质硅和sic、gan材料。与硅相比，选用sic和gan材料制得的紫外传感器具有更好的响应速率和抗干扰能力，但其灵敏度仍有待提升。随着科技的进步，纳米材料的应用变得越来越广泛。纳米zno材料为一种宽禁带半导体材料，其具备很高的激子束缚能，在室温下很难被激发，载流子在复合过程中能量损失非常小，发光效率高。掺杂b元素后，其光电特性得到进一步加强，光热性能有所提升，对紫外光光强的微小变化十分敏感。
4.狭缝锥形光纤为微纳光纤的一种，微纳光纤由于其制备简单且具有良好的光学特性在制造光学器件中得到了广泛应用。在腰锥区直径非常小，与传统光纤相比，其纤芯与包层折射率相差很大，在传光过程中倏逝场作用明显，对光场约束作用好，通过一般石英材料拉锥制得的微纳光纤抗电磁干扰能力优秀。将纳米技术和光纤技术结合会使传感器的性能大大提升。对于紫外传感器而言，改变光纤结构可以大大提升其灵敏度，同时在传感区域运用镀膜技术镀一层紫外敏感材料会使传感器的灵敏度进一步提高，因此一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器在紫外传感领域拥有着极其广阔的发展前景和研究意义。


技术实现要素：

5.本实用新型主要解决的技术问题是市面上的紫外传感器在使用时灵敏度低、易受外界干扰、成本过高、体积较大等问题，而提出的一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器。
6.为此，本实用新型采用了如下技术方案：
7.提供了一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器，其特征在于：由ase光源(1)、隔离器(2)、光纤跳线(3)、传感单元(4)、osa光谱仪(5)、信号放大器(6)、光电转化器(7)、解调模块(8)和pc终端(9)组成；
8.所述传感单元(4)为狭缝锥形光纤；由单模光纤(4-1)、腰锥区(4-2)、狭缝区(4-3)和镀膜区(4-4)组成；
9.所述传感单元(4)为对称式结构，其中单模光纤(4-1)的直径为8.5μm；腰椎区(4-2)直径为2.1μm；狭缝区(4-3)长为2.1μm，宽2.1μm，高为0.6μm；镀膜区(4-4)所镀薄膜为掺b
纳米zno薄膜，其厚度为40nm。
10.所述的一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器，其特征在于：所述隔离器(2)的作用为控制输入光沿单一方向传播，输入光损耗很小，输出光损耗很大；由ase光源(1)所发出的光经隔离器(2)由光纤跳线(3)传输至传感单元(4)，随后分别传输至osa光谱仪(5)和信号放大器(6)，在信号放大器(6)处将微弱的光信号放大后传输至光电转化器(7)，将光信号转化为电信号输出至解调模块(8)，最终在pc终端(9)中进行显示。
11.所述的一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器，其特征在于：在狭缝区(4-3)上下表面涂敷对紫外光变化敏感的掺b纳米zno材料形成镀膜区(4-4)；当受到外界紫外光照射时，其折射率会迅速发生变化，导致传感单元的传播常数和模场分布发生变化，干扰频谱的特征波长会发生偏移，在osa光谱仪(5)中进行显示，并根据检测结果获得相应传感数据。
12.所述的一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器，其特征在于：所述的传感单元(4)为由一根单模光纤(4-1)通过热拉法制得初始微纳光纤，随后通过聚焦离子束(fib)铣削技术在光纤中心区域刻蚀出2.1μm
×
2.1μm
×
0.6μm的狭缝；刻蚀后通过气相沉积法在狭缝区(4-3)的上下表面进行镀膜，得到具有强倏逝场效应的传感单元(4)。
13.所述的一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器，其特征在于：所述ase光源(1)为宽带光源，输出550-2400nm的光信号，其中心波长为1310nm，用于产生光信号。
14.所述的一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器，其特征在于：光在传输至狭缝区(4-3)时会产生强倏逝场效应；由于采用对称式结构，会使光纤狭缝区(4-3)的倏逝场产生叠加，此时场强为普通微纳光纤倏逝场的1.7倍，此强倏逝波可直接与外界环境进行相互作用；在紫外光照射时通过掺b纳米zno材料折射率变化，基于倏逝场原理改变输出光的干涉频谱。
15.本实用新型的有益效果是：本实用新型针对目前市面上紫外传感器灵敏度低易受外界干扰、成本过高、体积较大等问题提出了改进方案，给出了一种通过熔融拉锥技术和fib铣削及气相沉积镀膜技术制得的狭缝锥形光纤用来大大提升紫外传感器的灵敏度。拥有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰能力强、低毒性、高信噪比、耐腐蚀、重量轻和低成本等一系列优势，降低了制作高灵敏度紫外传感器的制作成本和制作难度。
附图说明
16.图1为本实用新型提出的一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器的结构示意图
17.图2为本实用新型提出的一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器的传感单元部分的放大示意图。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本实用新型提出的一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器的具体实施方式加以说明。
19.如图1所示，为本发明提供基于近红外双峰pcf折射率与磁场双参量传感系统的装置图，包括ase光源(1)、隔离器(2)、光纤跳线(3)、传感单元(4)、osa光谱仪(5)、信号放大器
(6)、光电转化器(7)、解调模块(8)和pc终端(9)组成；由ase光源(1)所发出的光经隔离器(2)由光纤跳线(3)传输至传感单元(4)，随后分别传输至osa光谱仪(5)和信号放大器(6)，在信号放大器(6)处将微弱的光信号放大后传输至光电转化器(7)，将光信号转化为电信号输出至解调模块(8)，最终在pc终端(9)中进行显示；
20.如图2所示，为本实用新型提出的一种具有强倏逝场的狭缝锥形光纤紫外传感器的传感单元(4)部分的放大示意图，所述传感单元(4)为狭缝锥形光纤；由单模光纤(4-1)、腰锥区(4-2)、中心狭缝区(4-3)和敏感材料镀膜区(4-4)组成；传感单元(4)为对称式结构，其中单模光纤(4-1)的直径为8.5μm；腰椎区(4-2)直径为2.1μm；狭缝区(4-3)长为2.1μm，宽2.1μm，高为0.6μm；镀膜区(4-4)所镀薄膜为掺b纳米zno薄膜，其厚度为40nm。
21.工作原理：使用时，将光路安说明书进行搭建，随后将制备好的传感单元(4)放入待测环境当中，打开ase光源(1)待输出光信号稳定，光信号在传输至传感单元(4)时会产生倏逝波，在狭缝区(4-3)倏逝波相互叠加，掺b纳米zno材料部分置于紫外环境中其有效折射率会随紫外光强变化而变化，改变了输出光波模式，在osa光谱仪(5)中产生光信号偏移；同时输出光经信号放大器(6)传输至光电转化器(7)由光信号转化为电信号，经解调模块(8)解调后直接在pc终端(9)进行显示，实现对紫外光的传感。