一种涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器及制备方法和应用技术

本发明专利技术属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的制备方法和湿度测量装置。湿度装置包括涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器、光源、密封湿度仪、光谱分析仪和湿度电子传感器。涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器和湿度电子传感器的电子湿度计固定在密封湿度仪的盖子上，密封湿度仪的盖子下表面与密封湿度仪紧固，密封湿度仪内置盐溶液。光源通过单模光纤A与涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的端口1连接，涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的端口4通过单模光纤B与光谱分析仪连接。本发明专利技术易于制作、高灵敏度、宽检测区间、优良的线性输出、低交叉敏感度且能够多次进行湿度测量的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器及制备方法和应用
本专利技术属于光电检测
，具体涉及一种涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器及制备方法和应用。
技术介绍
目前，对于高灵敏度、线性输出、低交叉敏感度和探头式湿度传感器的需求是十分强烈的。近年来，由于湿度传感器在社会活动中的大量应用，引起了研究人员广泛的关注，特别是在工业生产领域，如电子产品(如ESD控制)、食品(如脱水、储存)、印刷工业、材料工业(如陶瓷干燥)和半导体工业(如洁净室)。在上述工业生产过程中，湿度水平必须控制在一定范围内，例如ESD控制(30％-70％RH)、食品脱水(0-50％RH)、印刷(40-50％RH)、陶瓷干燥(0-50％RH)和洁净室(33-39％RH)(文献1.姚尧,氧化石墨烯的湿敏特性及其在微纳湿度传感器上的应用[D],西南交通大学,2013)。因此，无论从制造业还是从食品加工的角度考虑，中低湿度的高灵敏度检测将在生产活动中起到重要作用。基于光纤的湿度传感器，特别是那些结合特殊测量结构和湿敏材料的湿度传感器在过去的几年中得到了广泛的报道。与传统的湿度传感器相比，光纤湿度传感器的优点是简单和轻便，并且还具有高灵敏度和快速响应的优良特性。然而，光纤湿度传感器的灵敏度一直被光纤的传统圆柱波导结构所限制(文献2.TongL,GattassRR,AshcomJB,etal.Subwavelength-diametersilicawiresforlow-lossopticalwaveguiding[J].Nature,2003,426(6968):816-819.)。为了使光纤具有强的倏逝场和高灵敏度，许多方法被报道，其中微纳光纤是一种自提出就被广泛关注的方法。微纳光纤是一种直径从几十纳米到几微米的光纤。由于超细的直径，基于微纳光纤的传感器具有更好的传感特性。在过去的几年中，已经报道了许多基于微纳光纤的特殊测量结构，如干涉仪，耦合器，谐振器，光纤光栅和锥形结构等已被开发为各种湿度传感应用(文献3.ZhaoY,PengY,ChenMQ,etal.HumiditySensorBasedonUnsymmetricalU-shapedMicrofiberwithaPolyvinylAlcoholOverlay[J].Sensors&ActuatorsBChemical,2018,263:312-318.)。其中要重点介绍的就是微纳光纤耦合器，由于其对环境折射率变化的高度敏感而被认为是一种优良的湿度传感器。在传感性能方面，微纳光纤耦合器由于其独特的结构，是迄今为止最敏感的光纤湿度传感器之一。然而，较差的线性度和较窄的检测区间限制了微纳光纤耦合器湿度传感器的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种探头式、易于制作、高灵敏度、宽检测区间、优良的线性输出、低交叉敏感度且能够多次进行湿度测量的涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器。本专利技术的技术方案是：一种涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器，该耦合器由两根交叉缠绕一次的单模光纤加热拉锥形成微纳光纤耦合器，分为腰区和过渡区；交叉点拉锥变长形成平行贴合的区域为腰区，腰区各处直径相同；腰区以外至端口间的区域为过渡区；腰区外层涂覆厚度为40～70纳米的PVA敏感膜。一种涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的制备方法，步骤如下：步骤1：采用火焰加热拉锥技术，将两根交叉缠绕一次的单模光纤加热至1200～1400℃并进行拉锥，拉锥后的一对单模光纤形成微纳光纤耦合器，分为四个端口：端口一和端口三为同一根单模光纤的两个端口；端口二和端口四为另一根单模光纤的两个端口；步骤2：在微纳光纤耦合器的腰区涂覆一层厚度为40～70纳米的PVA敏感膜，在室温条件下，将镀完PVA敏感膜的微纳光纤耦合器静置20～25小时后将其弯成以腰区为中心对称的U型结构，U型弯曲角度为180度。步骤3：将端口一和端口二穿过玻璃毛细管A，将端口三和端口四穿过玻璃毛细管B，实现对涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的固定。所述的玻璃毛细管A和玻璃毛细管B直径为0.8～1.2毫米，壁厚为100～120微米。一种基于涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的湿度装置包括涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器、光源、密封湿度仪、光谱分析仪和湿度电子传感器。所述的湿度电子传感器包括电子湿度计和显示屏；电子湿度计用于监测密封湿度仪内的湿度，通过导线将数据传输到显示屏上，为测试提供标准的湿度值。涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器和湿度电子传感器的电子湿度计固定在密封湿度仪的盖子上，密封湿度仪的盖子下表面与密封湿度仪紧固，密封湿度仪内置盐溶液。光源通过单模光纤A与涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的端口一连接，涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的端口四通过单模光纤B与光谱分析仪连接。所述的光源工作波长为1530nm～1625nm；所述的光谱分析仪的分辨率不大于0.02nm；电子湿度计可以同时检测湿度和温度值，其湿度和温度的测量精度分别为±0.5％RH和±0.1℃。从光源1发出的光经过单模光纤A传到涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器上，在涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的锥区将激发出在纤芯传播的基模和在PVA薄膜中传播的高阶模式，并且通过耦合作用在涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器周围形成强大的倏逝场，由于密封湿度仪中不同的湿度环境，使得PVA薄膜的折射率发生变化，进而对光纤中传播的光产生影响，使得在光谱分析仪上解调出的光谱发生变化。最后，记录湿度电子传感器的示数和光谱分析仪中的光谱以进行后期数据处理。本专利技术的有效益结果：1)本专利技术提出一种基于涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的制备方法和湿度测量装置，将微纳光纤耦合器弯成U型，可以将透射式的传感单元转换成类似反射式的探针式传感单元，减小了传感结构所占的空间尺寸，探针式的传感结构使得湿度测量更加方便，更加适用于微小空间的湿度检测。2)利用湿度敏感材料PVA薄膜，可以显著增强传感器的湿度灵敏度；由于PVA具有较强的粘性，将其涂覆在微纳光纤耦合器表面可以确保组成微纳光纤耦合器的两根微纳光纤在弯曲成U型的过程中和使用过程中不分离，传感结构稳定且长期有效。3)本专利技术采用了密封湿度仪作为湿度检测的主要场所，并且通过使用不同的饱和盐溶液来提供不同的湿度环境。密封湿度仪的体积很小，其中饱和盐溶液又占据其三分之一的体积。因此，在场所过程中，密封湿度仪内的湿度水平可以快速达到饱和，大大缩短了检测的所需时间。4)本专利技术采用了直径为1毫米，壁厚为120μm的两个玻璃毛细管，并将传感器的两端头分别穿过毛细玻璃管实现了对传感器的固定。固定的传感器具有更加便利的操作属性。附图说明图1为本专利技术提供的基于涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的湿度测量系统示意图。图2为本专利技术提供的基于涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的测量装置示意图。图3为本专利技术提供的样品1在湿度增加和降低过程的响应曲线。图4为本专利技术提供的样品1的重复性测试结果。图5为本专利技术提供的样品2在湿度增加和降低过程的响应曲线。图6为本专利技术提供的涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的重复制作特性的试验结果。图7为本专利技术提供的样品2温度灵敏度响应曲线。图8为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器，其特征在于，该耦合器由两根交叉缠绕一次的单模光纤加热拉锥形成微纳光纤耦合器，分为腰区和过渡区；所述腰区为交叉点拉锥变长形成平行贴合的区域，腰区各处直径相同；所述过渡区为腰区两端以外至端口间的区域；腰区外层涂覆厚度为40～70纳米的PVA敏感膜。

【技术特征摘要】
1.一种涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器，其特征在于，该耦合器由两根交叉缠绕一次的单模光纤加热拉锥形成微纳光纤耦合器，分为腰区和过渡区；所述腰区为交叉点拉锥变长形成平行贴合的区域，腰区各处直径相同；所述过渡区为腰区两端以外至端口间的区域；腰区外层涂覆厚度为40～70纳米的PVA敏感膜。2.权利要求1所述的涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：采用火焰加热拉锥技术，将两根交叉缠绕一次的单模光纤加热至1200～1400℃并进行拉锥，拉锥后的一对单模光纤形成微纳光纤耦合器，分为四个端口：端口一和端口三为同一根单模光纤的两个端口，端口二和端口四为另一根单模光纤的两个端口；步骤2：在微纳光纤耦合器的腰区涂覆一层厚度为40～70纳米的PVA敏感膜，在室温条件下，将镀完PVA敏感膜的微纳光纤耦合器静置20～25小时后将其弯成以腰区为中心对称的U型结构。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中的U型弯曲角度为180度。4.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，将端口一和端口二穿过玻璃毛细管A，将端口三和端口四穿过玻璃毛细管B，实现对涂覆PVA薄膜的U型微纳光纤耦合器(3)的固定。5.如权利要求2或3所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵勇，彭昀，陈茂庆，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21