一种超小体积光纤温度传感探头及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种超小体积光纤温度传感探头及其制备方法，属于光纤传感技术领域。该探头包括单模光纤和超小体积长方体密封液体腔，所述长方体密封液体腔内装有SU?8光刻胶溶液，长方体密封液体腔胶连在单模光纤末端面正中心，其有效传感区域直径小于50微米，长度小于30微米。通过光纤环形器将光纤温度传感探头与宽光谱光源和光谱仪连接，在光谱仪上能够观测出法布里珀罗干涉光谱，通过监测光谱上干涉峰中心波长的移动解调出环境温度，温度传感灵敏度高于800 pm/oC。其结构紧凑、简单，稳定可靠，通过将温敏液态材料集成到光纤温度传感探头内，温度传感灵敏度大幅提高。是一种理想的超小体积光纤温度传感探头及其制备方法，适于在温度传感探测领域使用。
【专利说明】
一种超小体积光纤温度传感探头及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种光纤温度传感器及其制备方法，具体的说是一种超小体积光纤温度传感探头及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着“信息化”时代物联网的迅速发展，生活生产中对传感器的需求量急速增长，同时也对传感器技术与研发提出了更高的要求。光纤温度传感器属于新型传感器的一种，具有抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、功耗小、易于复用等独特优势，在电网、油井、煤矿温度监测，海洋环境监测网络组建，航空航天功能复合材料集成等领域具有广泛的应用前景。根据调制方式不同，光纤温度传感器可以分为强度调制型、波长调制型、相位调制型等。其中，波长调制型和相位调制型光纤温度传感器均可利用宽光谱光源和光谱仪，对传感器光谱中呈现出的谐振峰或干涉峰的中心波长进行监测，从而解调出环境温度，使用过程中稳定性好、可靠性高。
[0003]但是，目前光纤温度传感器存在两个问题:温度传感灵敏度低和探头体积大。环境温度对光纤温度传感探头的调制作用根本上体现在探头有效传感区域处折射率与体积的变化，受到探头材料热光系数与热膨胀系数两个参数的影响。但是，由于普通光纤材料的热光系数仅约为1X10—5 /°C，热膨胀系数仅约为5X10—7 /°C，导致这些基于纯光纤材料的温度传感探头的灵敏度仅为50 pm/°C以下。即使将其他温度敏感材料(例如金属、有机聚合物等)与光纤温度传感探头相结合，例如专利201010176299.8和201310070860.8，但是由于固体材料本身的局限，温度传感灵敏度的提升依然有限。为了突破这种限制，大幅提高传感灵敏度成为光纤温度传感探头研发的当务之急。另一方面，传感探头小型化是传感器发展的趋势，虽然光纤材料本身具有体积小、重量轻的优势，但是目前光纤温度传感探头的直径依然在毫米量级以上，如何进一步缩小光纤温度传感探头的体积成为一项技术难题。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种结构紧凑、简单，稳定可靠，通过将温敏液态材料集成到光纤温度传感探头内，温度传感灵敏度大幅提高的超小体积光纤温度传感探头及其制备方法。
[0005]本发明解决上述技术问题采用的技术方案是:一种超小体积光纤温度传感探头，其特征在于:其包括单模光纤和超小体积长方体密封液体腔，所述长方体密封液体腔内装有SU-8光刻胶溶液，长方体密封液体腔胶连在单模光纤末端面正中心，其有效传感区域直径小于50微米，长度小于30微米。
[0006]本发明所述单模光纤为通信单模光纤SMF_28e，光纤包层直径125微米，光纤纤芯直径8?9微米。
[0007]本发明所述SU-8光刻胶溶液由环氧树脂与光引发剂混合而成。
[0008]本发明解决上述技术问题采用的技术方案还是:一种超小体积光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于:其包括以下步骤:
(1)将去除涂覆层且末端切平的单模光纤浸入SU-8光刻胶溶液中，然后以缓慢将浸入的单模光纤拉出，在单模光纤末端面形成半球状液滴；
(2)将上述单模光纤固定在程控三维精密移动平台上，单模光纤末端面与水平面平行，利用透镜将飞秒激光种子光聚焦在半球状液滴内；电脑编程控制三维精密移动平台，使激光焦点在单模光纤末端面延锯齿状路径逐层向上扫描，飞秒激光诱导扫描区域SU-8光刻胶双光子聚合，在单模光纤末端半球状液滴内形成一个长20?50_、厚4?ΙΟμπι和高10?20μπι的侧壁;重复以上步骤，在单模光纤末端制备出四个彼此相连、邻面相互垂直的相同侧壁，最终在单模光纤末端中心位置形成一个超小体积开口长方体腔；
(3)将激光焦点在超小体积长方体腔的开口面处延锯齿状路径扫描，在长方体腔的四个侧壁的上方搭建一个水平壁，壁厚4?11M，对长方体腔进行封口，SU-8光刻胶溶液被密封在长方体腔内；
(4)将单模光纤末端面的超小体积长方体密封液体腔热处理，使长方体密封液体腔外壁处的光刻胶交联固化，然后，利用SU-8光刻胶显影液去除长方体密封液体腔外部未交联固化的SU-8光刻胶溶液，最后，在单模光纤端面的中心形成一个与光纤交联的超小体积长方体密封液体腔，制备得到超小体积光纤温度传感探头，其有效传感区域直径小于50微米，长度小于30微米。
[0009]本发明所述的飞秒激光种子光中心波长为800nm，宽度为飞秒量级，重复频率60MHz以上，聚焦用透镜为高倍显微物镜(50 X 0.8NA)。
[0010]本发明所述的三维精密移动平台沿空间内三个相互垂直的方向精密移动，步进精度200微米，通过电脑编程能够精确控制平台的三维移动轨迹。
[0011]本发明采用上述技术方案，将温敏液态材料集成到光纤温度传感探头内，大幅提高温度传感灵敏度、缩小探头体积。温度传感灵敏度高于800 pm/ 0C，探头有效传感区域直径小于50微米，长度小于20微米。通过光纤环形器将光纤温度传感探头与宽光谱光源和光谱仪连接，在光谱仪上能够观测出法布里珀罗干涉光谱，通过监测光谱上干涉峰中心波长解调出环境温度，温度传感灵敏度高于800 pm/°C。其结构紧凑、简单，稳定可靠，通过将温敏液态材料集成到光纤温度传感探头内，温度传感灵敏度大幅提高。是一种理想的超小体积光纤温度传感探头及其制备方法。
【附图说明】
[0012]下面结合附图对本发明进一步说明。
[0013]图1是本发明的组成结构示意图。
[0014]图中的标号是:1.单模光纤，11.单模光纤末端面，2.长方体密封液体腔，21.侧壁，22.水平壁，3.SU-8光刻胶溶液。
【具体实施方式】
[0015]从图1中可以看出，一种超小体积光纤温度传感探头，其包括单模光纤I和超小体积长方体密封液体腔2，所述长方体密封液体腔2内装有SU-8光刻胶溶液3，长方体密封液体腔2胶连在单模光纤末端面11正中心，其有效传感区域直径小于50微米，长度小于30微米。通过光纤环形器将光纤温度传感探头与宽光谱光源和光谱仪连接，在光谱仪上能够观测出法布里珀罗干涉光谱，通过监测光谱上干涉峰中心波长解调出环境温度，温度传感灵敏度高于800 pm/0C。
[0016]本发明所述单模光纤I为通信单模光纤SMF_28e，光纤包层直径125微米，光纤纤芯直径8?9微米。
[0017]本发明所述SU-8光刻胶溶液3由环氧树脂与光引发剂混合而成。
[0018]本发明所述的超小体积光纤温度传感探头的制备方法，具体步骤是:
(I)将去除涂覆层且末端切平的单模光纤I浸入SU-8光刻胶溶液中，然后以一定速度将浸入的单模光纤拉出，在单模光纤末端面11形成半球状液滴。
[0019](2)将上述单模光纤I固定在程控三维精密移动平台上，单模光纤末端面11与水平面平行，利用透镜将飞秒激光种子光聚焦在半球状液滴内。电脑编程控制三维精密移动平台，使激光焦点在单模光纤末端面11延锯齿状路径逐层向上扫描，飞秒激光诱导扫描区域SU-8光刻胶溶液产生双光子聚合，在单模光纤末端面11半球状液滴内形成一个长20?50μπι、厚4?ΙΟμπι和高10?20μηι的侧壁21。重复此步骤，在单模光纤末端制备出四个彼此相连、邻面相互垂直的相同侧壁21。最终，在单模光纤末端中心位置形成一个超小体积开口长方体腔。
[0020](3)将激光焦点在超小体积长方体腔的开口面处延锯齿状路径扫描，在长方体腔的四个侧壁的上方搭建一个水平壁22，其壁厚4?11M，对长方体密封液体腔进行封口，SU-8光刻胶溶液3被密封在长方体密封液体腔2内。
[0021 ] (4)将单模光纤I末端的超小体积长方体密封液体腔2热处理，使长方体密封液体腔2侧壁21、水平壁22处的光刻胶交联固化。然后，利用SU-8光刻胶显影液去除长方体密封液体腔外部未交联固化的SU-8光刻胶溶液。最后，在单模光纤端面11的中心形成一个与光纤交联的超小体积长方体密封液体腔2，制备得到超小体积光纤温度传感探头，其有效传感区域直径小于50微米，长度小于30微米。
[0022]本发明所述的飞秒激光种子光中心波长为800nm，宽度为飞秒量级，重复频率60MHz以上，聚焦用透镜为高倍显微物镜(50 X 0.8NA)。
[0023]本发明所述的SU-8光刻胶溶液为环氧树脂与光引发剂的混合溶液。
[0024]本发明所述的三维精密移动平台可沿空间内三个相互垂直的方向精密移动，步进精度200微米，通过电脑编程能够精确控制平台的三维移动轨迹。
[0025]本发明采用上述技术方案，将温敏液态材料集成到光纤温度传感探头内，大幅提高温度传感灵敏度、缩小探头体积。温度传感灵敏度高于800 pm/ 0C，探头有效传感区域直径小于50微米，长度小于20微米。通过光纤环形器将光纤温度传感探头与宽光谱光源和光谱仪连接，在光谱仪上能够观测出法布里珀罗干涉光谱，通过监测光谱上干涉峰中心波长解调出环境温度，温度传感灵敏度高于800 pm/°C。其结构紧凑、简单，稳定可靠，通过将温敏液态材料集成到光纤温度传感探头内，温度传感灵敏度大幅提高。是一种理想的超小体积光纤温度传感探头及其制备方法。
【主权项】
1.一种超小体积光纤温度传感探头，其特征在于:其包括单模光纤和超小体积长方体密封液体腔，所述长方体密封液体腔内装有SU-8光刻胶溶液，长方体密封液体腔胶连在单模光纤末端面正中心，其有效传感区域直径小于50微米，长度小于30微米。2.根据权利要求1所述的超小体积光纤温度传感探头，其特征在于:所述单模光纤为通信单模光纤SMF-28e，光纤包层直径125微米，光纤纤芯直径8?9微米。3.根据权利要求1所述的超小体积光纤温度传感探头，其特征在于:所述SU-8光刻胶溶液由环氧树脂与光引发剂混合而成。4.一种权利要求1所述的超小体积光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于:其包括以下步骤: (1)将去除涂覆层且末端切平的单模光纤浸入SU-8光刻胶溶液中，然后以缓慢将浸入的单模光纤拉出，在单模光纤末端面形成半球状液滴； (2)将上述单模光纤固定在程控三维精密移动平台上，单模光纤末端面与水平面平行，利用透镜将飞秒激光种子光聚焦在半球状液滴内；电脑编程控制三维精密移动平台，使激光焦点在单模光纤末端面延锯齿状路径逐层向上扫描，飞秒激光诱导扫描区域SU-8光刻胶双光子聚合，在单模光纤末端半球状液滴内形成一个长20?50_、厚4?ΙΟμπι和高10?20μπι的侧壁;重复以上步骤，在单模光纤末端制备出四个彼此相连、邻面相互垂直的相同侧壁，最终在单模光纤末端中心位置形成一个超小体积开口长方体腔； (3)将激光焦点在超小体积长方体腔的开口面处延锯齿状路径扫描，在长方体腔的四个侧壁的上方搭建一个水平壁，壁厚4?11M，对长方体腔进行封口，SU-8光刻胶溶液被密封在长方体腔内； (4)将单模光纤末端面的超小体积长方体密封液体腔热处理，使长方体密封液体腔外壁处的光刻胶交联固化，然后，利用SU-8光刻胶显影液去除长方体密封液体腔外部未交联固化的SU-8光刻胶溶液，最后，在单模光纤端面的中心形成一个与光纤交联的超小体积长方体密封液体腔，制备得到超小体积光纤温度传感探头，其有效传感区域直径小于50微米，长度小于30微米。5.根据权利要求4所述的超小体积光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于:所述的飞秒激光种子光中心波长为800nm，宽度为飞秒量级，重复频率60MHz以上，聚焦用透镜为高倍显微物镜(50X0.8NA)。6.根据权利要求4所述的超小体积光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于:所述的三维精密移动平台沿空间内三个相互垂直的方向精密移动，步进精度200微米，通过电脑编程能够精确控制平台的三维移动轨迹。
【文档编号】G01K11/32GK106052903SQ201610712813
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月24日
【发明人】曲士良, 刘, 刘一, 李敏, 纪圣华, 梁明明, 李民
【申请人】哈尔滨工业大学（威海）