[发明专利]高灵敏度微纳光纤复合型微腔生化传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度微纳光纤复合型微腔生化传感器及其制造方法，属于光纤器件领域。

技术背景

上世纪以来，光纤通信以及光纤传感领域发展迅速。光纤及光纤器件是光纤传感的传输媒介，其发展程度的高低在很大程度上决定着光纤传感领域的发展。光纤传感器抗干扰能力强、绝缘性好安全度高、灵敏度高、重量轻体积小易于集成，因而在很多行业如能源石化、资源勘探、生物医疗等领域均有着广阔的应用前景。随着光纤传感领域的快速发展，对光纤器件的要求也越来越高，具有微尺寸、高灵敏度、快速响应等优势的新型光纤器件逐渐成为研究的热点。其中，微纳光纤器件以其低损耗、低成本、高性能、高可靠性在光纤器件中占据了很大份额。与普通单模光纤相比，微纳光纤的很大一部分光场能量以渐逝波的形式在芯外传播，这部分芯外渐逝场与环境相互作用时，对周围环境的折射率变化很敏感，因此可以被应用为高灵敏度的微型传感器。另外，F-P腔以及基于F-P腔的各种传感器现已被广泛应用，但是普通基于F-P腔的传感器灵敏度不高，响应速度较慢。近年来，随着各种微加工技术不断成熟，基于光纤端面、光纤表面和光纤内部而进行的微结构制备得到了大力发展，极大地促进了各种新型光纤微传感器在传感方面的应用。

用飞秒脉冲激光在微纳光纤内部制备F-P微腔以及基于F-P微腔的复合传感器应用很少。使用飞秒激光器在微纳光纤内部刻写F-P微腔，并制成由微纳光纤F-P微腔和结型微纳光纤环形腔构成的微纳光纤复合型微腔，其Fano谐振谱线在中心波长处具有极大的变化斜率，陡峭的斜率可以把微小的环境参量变化转化为大的可探测的强度变化，可极大地提高生化传感器的灵敏度，可以实现比普通F-P腔更高的分辨率、更高的灵敏度以及更大范围的传感。再加以改进工艺，可以实现快响应速度和高灵敏度的微纳米量级生化测量。

发明内容

本发明的目的在于改善现有F-P腔以及基于F-P腔的各种传感器灵敏度不高，响应速度较慢的不足，提供一种高灵敏度微纳光纤复合型微腔生化传感器及其制造方法，以实现更高灵敏度、更快响应速度和微量检测，这将在微型化和高灵敏度的生化传感领域有广泛应用前景。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种高灵敏度微纳光纤复合型微腔生化传感器，由一根微纳光纤和在其内部的第一光纤内部反射镜、第二光纤内部反射镜和微纳光纤F-P腔以及一个结型微纳光纤环形腔构成，其特征在于：所述微纳光纤是由普通单模光纤进行熔融制成的在微纳光纤内部用飞秒激光制作两个反射镜，然后在两个反射镜之间打结，最终制成由微纳光纤F-P腔和结型微纳光纤环形腔构成的微纳光纤复合型微腔；该微纳米光纤复合型微腔的Fano谐振谱线在中心波长处具有极大的变化斜率，陡峭的斜率可以把微小的环境参量变化转化为大的可探测的强度变化，极大地提高了生化传感器的灵敏度。

一种高灵敏度微纳光纤复合型微腔生化传感器的制造方法，用于制作上述高灵敏度微纳光纤复合型微腔生化传感器，其操作步骤如下：

1）微纳光纤制备：用氢氧火焰作为热源对一段长2米                                                0.2米的单模光纤进行熔融制成微纳光纤：在此单模光纤中间剥去长3厘米0.3厘米的涂覆层，并用酒精擦拭干净裸纤部分，放置在间距为5cm0.5cm的光纤夹具上，尾纤的一端连接到宽带光源，另一端连接至光功率计，用以监控单模光纤在熔融过程中的损耗变化情况。通过热源的氢气流量和火焰温度等参数的优化设定，可以保证所制得的微纳光纤均一性较好。

2）飞秒激光制作微纳光纤复合型微腔：将制备的微纳光纤置于三维移动平台上，使微纳光纤轴向垂直于飞秒脉冲激光光束的传输方向；飞秒脉冲激光通过显微镜的物镜聚焦于光纤熔锥锥腰的中心，三维移动平台沿飞秒脉冲激光传输方向移动，使飞秒脉冲激光的聚焦点沿光纤径向扫描光纤熔锥的锥腰，至飞秒激光刻写区域覆盖光纤熔锥锥腰区的纤芯，即单个反射面制备完毕；每制作一个反射面时，三维移动平台的移动距离为锥腰直径的二分之一，移动速度为0.7-0.8 μm/s；控制台沿x轴向锥腰另一端移动所需腔长的距离，完成第二个反射面的制备。在制备好的两个反射面之间对微纳光纤打结，就制成了由微纳光纤F-P腔和结型微纳光纤环形腔构成的微纳光纤复合型微腔。

本发明的工作原理