本發(fā)明屬于光纖傳感，具體涉及一種基于紫外膠微球集成薩格納克環(huán)的微型光纖傳感器及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、光纖傳感器因其優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用前景，在傳感技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。光纖傳感器具備體積小、抗電磁干擾、制備方便、靈敏度高等顯著優(yōu)點，使其在各種環(huán)境條件下均能穩(wěn)定工作。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，光纖傳感器可用于應(yīng)變、超聲波、溫度、濕度等多個物理量的測量，展現(xiàn)出極強的適應(yīng)性和靈活性。

2、隨著光纖制備工藝的日益成熟，不同類型的微結(jié)構(gòu)光纖傳感器得到了廣泛制備和深入研究。這些微結(jié)構(gòu)光纖傳感器大多基于多光束干涉或多模式干涉的傳感原理。由于不同的模式具有不同的光場分布和傳感性能，光纖傳感器中較多的高階模式數(shù)和較強的多模干涉效應(yīng)能夠顯著提升傳感靈敏度，從而滿足高精度測量的需求。

3、為了進一步提升光纖傳感器的性能，研究人員通過加熱和拉伸流程，成功將單模光纖制備成直徑在微納米級別的微光纖。微納光纖表面存在較強的倏逝場，這一特性使其能夠與環(huán)境參量(如溫度)發(fā)生強烈的相互作用，從而進一步提升光纖傳感器的靈敏度。然而，傳統(tǒng)的氧化硅材質(zhì)的微納光纖對環(huán)境濕度的響應(yīng)幾乎可以忽略不計，這在一定程度上限制了其在濕度測量領(lǐng)域的應(yīng)用。

4、為了克服這一局限，研究人員提出了將具有高濕度響應(yīng)特性的聚合物材料與微納光纖器件相結(jié)合的方法。通過這種方法，可以實現(xiàn)對溫度和濕度同時響應(yīng)的微型光纖傳感器件。這種新型傳感器不僅保留了光纖傳感器原有的優(yōu)良性能，還顯著增強了其對環(huán)境濕度的敏感性，拓寬了光纖傳感器的應(yīng)用范圍。

5、基于上述背景，本發(fā)明提出了一種基于紫外膠微球集成薩格納克環(huán)的微型光纖傳感器及其制備方法。該傳感器利用薩格納克環(huán)的干涉效應(yīng)和紫外膠微球的特殊性質(zhì)，旨在實現(xiàn)一種同時具備高靈敏度和多參數(shù)測量能力的微型光纖傳感器，以滿足更為復(fù)雜和多樣化的測量需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、解決的技術(shù)問題：本發(fā)明針對現(xiàn)有微納光纖器件對溫度-濕度響應(yīng)特性相對較低的缺點，提供一種基于紫外膠微球集成薩格納克環(huán)的微型光纖傳感器及其制備方法和應(yīng)用，實現(xiàn)溫度與濕度的高靈敏度測量。

2、技術(shù)方案：基于紫外膠微球集成薩格納克環(huán)的微型光纖傳感器，包括微光纖薩格納克環(huán)和一組紫外膠微球，所述紫外膠微球均勻間隔地附著于微光纖薩格納克環(huán)的表面，以實現(xiàn)對特定物理量的高靈敏度檢測。

3、上述紫外膠微球由折射率為1.54的紫外固化膠制成。聚合物具有較高的濕敏特性，能夠增強傳感器對溫度和濕度的響應(yīng)能力。

4、上述微光纖薩格納克環(huán)的直徑在微納米級別，表面存在較強的倏逝場，以提高傳感器與環(huán)境參量的相互作用。

5、微型光纖傳感器的制備方法，包括以下步驟：(1)對單模光纖進行精確加熱和拉伸處理，制得直徑為不超過30μm的微光纖；(2)將制得的微光纖兩端平行放置，通過旋轉(zhuǎn)扭曲使其形成薩格納克環(huán)結(jié)構(gòu)，并將兩端固定；(3)利用光纖錐將攜帶有紫外膠液滴的微光纖錐靠近薩格納克環(huán)，使紫外膠液滴均勻附著于光纖環(huán)表面；(4)使用紫外光對附著在光纖環(huán)表面的紫外膠液滴進行照射，使其固化形成紫外膠微球，從而得到紫外膠微球與薩格納克環(huán)集成的微型光纖傳感器。

6、在步驟(1)中，加熱和拉伸處理在控制溫度不低于1000℃和拉伸速率低于1000μm/s的條件下進行，以確保微光纖的直徑均勻且質(zhì)量穩(wěn)定。

7、在步驟(2)中，旋轉(zhuǎn)扭曲在3-5圈和旋轉(zhuǎn)速度在0.5r/s，以確保薩格納克環(huán)的形成過程中光纖不受損傷且環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

8、在步驟(3)中，光纖錐的設(shè)計和使用確保紫外膠液滴能夠均勻且精確地附著在薩格納克環(huán)的表面，光纖錐的直徑不超過30μm且表面均勻，液滴的直徑在30μm-100μm。

9、在步驟(4)中，紫外光的照射強度和時間經(jīng)過精確控制，以確保紫外膠微球的固化質(zhì)量和一致性，其中，照射強度在20-40mw/cm2，照射時間在10秒以內(nèi)。

10、一種使用所述微型光纖傳感器進行物理量測量的方法，包括將傳感器置于待測環(huán)境中，通過檢測薩格納克環(huán)中光的干涉效應(yīng)變化來測量物理量的變化。

11、所述測量方法還包括對測量數(shù)據(jù)進行處理和分析，以提取出所需的物理量信息。

12、傳感機理：輸入光首先進入微光纖的旋轉(zhuǎn)扭曲區(qū)域，會激發(fā)少量高階模式。然后，傳輸光在薩格納克環(huán)中形成順時針方向和逆時針方向進一步向前傳輸。兩個方向的光經(jīng)薩格納克環(huán)后，在旋轉(zhuǎn)扭曲區(qū)域重合，并相互干涉，最終實現(xiàn)反射光譜。此外，考慮到紫外膠的折射率為1.54，高于氧化硅的折射率。光纖環(huán)路中的光束在經(jīng)過紫外膠微球時，會發(fā)生散射進入微球中，從而進一步地發(fā)生散射、反射和折射。微球中的多光束會直接影響薩格納克環(huán)中的多模式干涉，進而直接影響了微光纖傳感器的反射光譜。另外，每個微球的尺寸會有些許差異，這使得每個微球中的高階模式不同，多模干涉的強度也不同。因此，紫外膠微球的數(shù)量直接影響著微光纖傳感器的多模干涉強度及其溫度和濕度的傳感靈敏度。對紫外膠微球數(shù)量的研究至關(guān)重要。

13、有益效果：本發(fā)明的基于紫外膠微球集成微光纖薩格納克環(huán)的微型光纖傳感器具有微型化、結(jié)構(gòu)簡潔、高靈敏度的多參量測量等特性，在溫度及濕度傳感應(yīng)用中有著潛在的應(yīng)用前景。

14、更進一步的，將紫外膠微球與微光纖薩格納克環(huán)集成，利用紫外膠的高熱光系數(shù)可以提高器件的溫度靈敏度。同時，基于紫外膠快速吸收和滲出水分子的特性，還可以實現(xiàn)光纖器件對環(huán)境濕度的快速響應(yīng)。

15、更進一步的，研究多個紫外膠微球與薩格納克環(huán)的集成，可以進一步地分析紫外膠微球?qū)饫w傳感靈敏度的影響，最終實現(xiàn)較高靈敏度的微型光纖傳感器。

技術(shù)特征：

1.基于紫外膠微球集成薩格納克環(huán)的微型光纖傳感器，其特征在于，包括微光纖薩格納克環(huán)和一組紫外膠微球，所述紫外膠微球均勻間隔地附著于微光纖薩格納克環(huán)的表面，以實現(xiàn)對特定物理量的高靈敏度檢測。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型光纖傳感器，其特征在于，所述紫外膠微球由折射率為1.54的紫外固化膠制成；聚合物具有濕敏特性，能夠增強傳感器對溫度和濕度的響應(yīng)能力。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型光纖傳感器，其特征在于，所述微光纖薩格納克環(huán)的直徑在微納米級別，表面存在倏逝場，以提高傳感器與環(huán)境參量的相互作用。

4.權(quán)利要求1-3任一所述微型光纖傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）對單模光纖進行精確加熱和拉伸處理，制得直徑為不超過30μm的微光纖；（2）將制得的微光纖兩端平行放置，通過旋轉(zhuǎn)扭曲使其形成薩格納克環(huán)結(jié)構(gòu)，并將兩端固定；（3）利用光纖錐將攜帶有紫外膠液滴的微光纖錐靠近薩格納克環(huán)，使紫外膠液滴均勻附著于光纖環(huán)表面；（4）使用紫外光對附著在光纖環(huán)表面的紫外膠液滴進行照射，使其固化形成紫外膠微球，從而得到紫外膠微球與薩格納克環(huán)集成的微型光纖傳感器。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在步驟（1）中，加熱和拉伸處理在控制溫度不低于1000℃和拉伸速率低于1000μm/s的條件下進行，以確保微光纖的直徑均勻且質(zhì)量穩(wěn)定。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在步驟（2）中，旋轉(zhuǎn)扭曲在3-5圈和旋轉(zhuǎn)速度在0.5r/s，以確保薩格納克環(huán)的形成過程中光纖不受損傷且環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在步驟（3）中，光纖錐的設(shè)計和使用確保紫外膠液滴能夠均勻且精確地附著在薩格納克環(huán)的表面，光纖錐的直徑不超過30μm且表面均勻，液滴的直徑在30μm-100μm。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在步驟（4）中，紫外光的照射強度和時間經(jīng)過精確控制，以確保紫外膠微球的固化質(zhì)量和一致性，其中，照射強度在20-40mw/cm2，照射時間在10秒以內(nèi)。

9.一種使用權(quán)利要求1-3任一所述微型光纖傳感器進行物理量測量的方法，其特征在于，包括將傳感器置于待測環(huán)境中，通過檢測薩格納克環(huán)中光的干涉效應(yīng)變化來測量物理量的變化。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量方法，其特征在于，還包括對測量數(shù)據(jù)進行處理和分析，以提取出所需的物理量信息。

技術(shù)總結(jié)
基于紫外膠微球集成薩格納克環(huán)的微型光纖傳感器及其制備方法和應(yīng)用，包括微光纖薩格納克環(huán)和一組紫外膠微球，所述紫外膠微球均勻間隔地附著于微光纖薩格納克環(huán)的表面，以實現(xiàn)對特定物理量的高靈敏度檢測。本發(fā)明的基于紫外膠微球集成微光纖薩格納克環(huán)的微型光纖傳感器具有微型化、結(jié)構(gòu)簡潔、高靈敏度的多參量測量等特性，在溫度及濕度傳感應(yīng)用中有著潛在的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：范會博,郭洪琨
受保護的技術(shù)使用者：揚州大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15