[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，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。

背景技术

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.Tong L,Gattass R R,Ashcom J B,etal.Subwavelength-diameter silica wires for low-loss optical wave guiding[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.Zhao Y,Peng Y,Chen M Q,et al.Humidity Sensor Based on UnsymmetricalU-shaped Microfiber with a Polyvinyl Alcohol Overlay[J].Sensors&Actuators BChemical,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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术方案是：

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：