CN106124085A - 一种染料掺杂液晶微球温度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种染料掺杂液晶微球温度传感器及其制备方法。将荧光染料DCM掺入胆甾相液晶溶液，混合溶液通过锥形毛细微管注入待测液体形成液体微球腔。液晶微球中的荧光染料在532nm激光脉冲的激发下发射荧光，在微腔的限制作用下产生高品质回音壁模式激光发射，使用光谱仪记录激光光谱。当环境温度发生微弱变化时，液晶折射率的改变引起激光波长发生变化，从而光谱产生漂移，实现高灵敏度的温度传感。本发明基于光学微谐振腔结构及独特的光学材料，提出了一种全新的高灵敏度温度微传感器器件。

Description

一种染料掺杂液晶微球温度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种光学微传感器，具体地说是一种基于荧光染料掺杂液晶微球的温度微传感器。

背景技术

微传感器作为新一代传感器器件因其具有微型化、智能化、易集成等优点而越来越受到青睐。温度传感器是温度测量仪器的核心部分，在工业生产及日常生活中使用相当广泛。基于光学微谐振腔的温度微传感器的原理多为谐振光谱产生温度响应而转换为可观测的信号。已经研究的光学微腔温度传感器具有多种不同的腔体结构且由不同的材料制成，代表性的包括二氧化硅微球腔温度传感器、光纤微环形腔温度传感器、有机聚合物微球腔温度传感器等。随着科技的发展，许多情况下现有的腔体材料已经无法满足高精度的测量要求，即传感器的灵敏度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵敏度高的染料掺杂液晶微球温度传感器。本发明的目的还在于提供一种染料掺杂液晶微球温度传感器的制备方法。

本发明的染料掺杂液晶微球温度传感器包括液晶微球、脉冲激光器、光谱分析仪和电荷耦合器件CCD，所述液晶微球是由DCM掺杂的液晶溶液形成的，液晶微球置于待测液体环境中，脉冲激光器发射出的脉冲激光经光学透镜聚焦并照射到液晶微球表面，液晶微球内的染料DCM激发产生的荧光在液晶微球谐振腔与周围待测液体环境的交界面进行全内反射、放大、最终产生回音壁模式激光发射，液晶微球发射光经光学透镜聚焦、半透半反射镜分束后，一束光进入光谱分析仪记录下光谱，另一束光继续经过半透半反射镜、分束后进入电荷耦合器件CCD，由待测液体环境的温度发生微弱变化时液晶的折射率产生的变化符合公式其中Δλ为波长改变值、λ₀为发射激光波长、n为液晶的折射率、ΔT为环境温度改变值、dn/dT定义为液晶的热光系数。

本发明的染料掺杂液晶微球温度传感器还可以包括：

1、DCM掺杂的液晶溶液的组成为1μg荧光染料DCM掺入0.1ml胆甾相液晶溶液，所述胆甾相液晶溶液将手性剂以质量比26％掺入向列相液晶中得到的。

2、液晶微球的直径在十至几十微米。

3、与CCD相对应的位置放置卤素灯。

本发明的染料掺杂液晶微球温度传感器的制备方法为：

(1)将手性剂以质量比26％掺入到向列相液晶中，得到胆甾相液晶溶液；

(2)将1μg荧光染料DCM掺入到0.1ml胆甾相液晶溶液中，混合溶液室温下使用磁力搅拌器搅拌两小时，随后使用超声波清洗仪超声处理一小时，得到DCM掺杂的液晶溶液；

(3)使用火焰加热拉伸技术将外径为164μm、内径为100μm的玻璃毛细管拉成内径为10μm的锥形毛细微管，锥形毛细微管的一端连接压力控制装置，通过控制压力抽取定量DCM掺杂的液晶溶液；

(4)锥形毛细微管另一端***待测液体环境中，通过控制压力装置的压力在待测液体中形成液晶微球，液晶微球直径范围为十至几十微米；

(5)Nd:YAG倍频脉冲激光器发射出的脉冲激光经光学透镜聚焦并照射到液晶微球表面，激发微球内部的染料DCM产生荧光，光子在液晶微球谐振腔与周围液体环境的交界面进行全内反射、放大，最终产生回音壁模式激光发射；

(6)液晶微球发射的激光经光学透镜聚焦，经半透半反射镜分束后，一束光进入光谱分析仪记录下光谱，另一束光继续经过半透半反射镜，分束后的光进入电荷耦合器件。

本发明的染料掺杂液晶微球温度传感器的制备方法还可以包括：与CCD相对应的位置放置卤素灯作为照明光源，卤素灯与CCD同时使用以实时监测待测液体中微球的情况。

本发明提出了一种基于染料掺杂液晶球形腔的高灵敏度光学微传感器及其制备方法，利用这种传感器进行温度传感时，灵敏度较基于现有材料的传感器有大幅提高。

本发明将荧光染料DCM均匀分散的胆甾相液晶溶液注入待测液体环境中形成液体微球，其在532nm脉冲激光激发下产生激光发射。待测液体环境温度的变化会引起微球腔光谱特性的改变，实现温度传感功能。本发明的微传感器基于荧光染料DCM掺杂液晶溶液构成的光学微球谐振腔，在泵浦光激发下产生极高品质因子的回音壁模式激光发射，所选择的液晶材料的折射率对环境温度具有很强的响应，使外界温度的改变引起更大的光谱漂移，从而实现高灵敏度的温度传感。这样的高灵敏度及高品质的回音壁模式激光确保了该传感器件的高温度分辨率。

本发明高灵敏度染料掺杂液晶微球温度传感器的制备方法中，将荧光染料DCM掺入胆甾相液晶溶液，混合溶液室温下搅拌两小时，随后超声处理一小时使两者混合均匀；锥形毛细微管一端连接压力控制装置，另一端***待测液体环境中，通过控制压力抽取定量DCM掺杂的液晶溶液并在水中产生微球；使用532nm脉冲激光激发液晶微球，使用光谱仪接收激光光谱；当液晶微球所处的待测液体环境的温度改变时，液晶的折射率会发生相应改变，从而引起激光发射波长的改变，反映在光谱上即为谱线的漂移，实现了温度传感的功能。

本发明的优点是：一、所采用的液体球形微谐振腔与其他结构谐振腔相比具有产生激光品质因子高、制备方式简单、尺寸控制性强、操作灵活度高等优点；二、采用的液晶材料的折射率具有很强的温度响应，使得温度传感的灵敏度大幅度提高；三、极高的激光品质因子减小了可观测的光谱漂移极限值，使得温度传感的分辨率大幅度提高；四、传感***设置简单，实际操作容易，所需设备廉价易获取等。

附图说明

图1荧光染料DCM掺杂液晶微球的结构示意图；

图2基于荧光染料DCM掺杂液晶微球的温度传感***示意图。

具体实施方式

结合图1和图2，本发明的染料掺杂液晶微球温度传感器包括液晶微球3、脉冲激光器7、光谱分析仪10和电荷耦合器件CCD11，所述液晶微球是由DCM掺杂的液晶溶液形成的，液晶微球置于待测液体环境2中，脉冲激光器发射出的脉冲激光4经光学透镜聚焦并照射到液晶微球表面，液晶微球内的染料DCM激发产生的荧光在液晶微球谐振腔与周围待测液体环境的交界面进行全内反射、放大、最终产生回音壁模式激光5发射，液晶微球发射光经光学透镜聚焦、半透半反射镜分束后，一束光进入光谱分析仪记录下光谱，另一束光继续经过半透半反射镜、分束后进入电荷耦合器件CCD，由待测液体环境的温度发生微弱变化时液晶的折射率产生的变化符合公式其中Δλ为波长改变值、λ₀为发射激光波长、n为液晶的折射率、ΔT为环境温度改变值、dn/dT定义为液晶的热光系数。

DCM掺杂的液晶溶液的组成为1μg荧光染料DCM掺入0.1ml胆甾相液晶溶液，所述胆甾相液晶溶液将手性剂以质量比26％掺入向列相液晶中得到的。液晶微球的直径在十至几十微米。与CCD相对应的位置可以放置卤素灯12。

本发明的染料掺杂液晶微球温度传感器的制备方法包括：

(1)将手性剂(R811，北京八亿时空液晶科技股份有限公司)以质量比26％掺入向列相液晶(BHR33200，北京八亿时空液晶科技股份有限公司)中，得到胆甾相液晶溶液；

(2)将1μg荧光染料DCM掺入0.1ml胆甾相液晶溶液中，混合溶液室温下使用磁力搅拌器搅拌两小时，随后使用超声波清洗仪超声处理一小时，使两者充分混合均匀，得到DCM掺杂的液晶溶液；

(3)使用火焰加热拉伸技术将外径为164μm，内径为100μm的玻璃毛细管拉成内径约为10μm的锥形毛细微管1，一端连接压力控制装置6，通过控制压力抽取定量DCM掺杂的液晶溶液；

(4)锥形毛细微管另一端***待测液体环境2中，通过控制压力装置的压力在待测液体中形成液体微球3，微球直径范围为十至几十微米；

(5)Nd:YAG倍频脉冲激光器7发射出的532nm脉冲激光4经光学透镜8聚焦并照射到液晶微球表面，激发微球内部的染料DCM产生荧光。光子在液晶微球谐振腔与周围液体环境的交界面进行全内反射，不断进行光放大，最终产生回音壁模式激光5发射；

(6)液晶微球发射的激光经光学透镜聚焦，经半透半反射镜9分束后，一束光进入光谱分析仪10记录下光谱。另一束光继续经过半透半反射镜，分束后的光进入电荷耦合器件CCD11；

(7)与CCD相对应的位置放置卤素灯作为照明光源12，与CCD同时使用以实时监测待测液体中微球的情况；

(8)当待测液体环境的温度发生微弱变化时，液晶的折射率会产生很强的响应(温度的升高引起液晶折射率的降低)。液晶的折射率会发生相应改变，从而引起激光发射波长的改变，反映在光谱上即为谱线的漂移，实现了温度传感的功能。公式(1)为设计回音壁模式微谐振腔传感器的原理公式，Δλ为波长改变值，λ₀为发射激光波长，n为液晶的折射率，ΔT为环境温度改变值，dn/dT定义为液晶的热光系数，反映了液晶折射率随温度的变化能力。由该公式知，由于环境温度的变化引起了液晶折射率的改变，微球发射的激光将产生一定频移，从而光谱仪接收的光谱信号将会发生改变，实现温度传感的功能。公式(1)中，液晶的热光系数约为10^-3量级，回音壁模式激光发射波长在600nm附近，(1)中所使用的液晶平均折射率约为1.58，理论计算得到每摄氏度的波长改变值即传感灵敏度(Δλ/ΔT)约为10^-9m/℃量级。该值远高于二氧化硅微球腔、光纤微环形腔、有机聚合物微球腔温度微传感器的灵敏度。通常液体微球谐振腔的品质因子可以达到10⁴量级以上，使得激光光谱的半峰值全宽度达到10^-11m量级。可分辨的光谱漂移极限(δλ)约为半峰值全宽度的二十分之一，即10^-12m量级。因此，理论计算得到的温度传感分辨率约为10^-3℃量级。

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\≅\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{n}\frac{dn}{dT}\mathrm{\Δ}T---\left(1\right)$

以上所述的具体实施方案，对本发明的具体制备方法进行了进一步详细说明。本发明高灵敏度染料掺杂液晶微球温度传感器，实现过程简单方便，液晶材料与现有微谐振腔温度传感器的腔体材料相比具有更高的热光系数，确保了高灵敏度温度传感的实现。

Claims (7)

1.一种染料掺杂液晶微球温度传感器，包括液晶微球、脉冲激光器、光谱分析仪和电荷耦合器件CCD，其特征是：所述液晶微球是由DCM掺杂的液晶溶液形成的，液晶微球置于待测液体环境中，脉冲激光器发射出的脉冲激光经光学透镜聚焦并照射到液晶微球表面，液晶微球内的染料DCM激发产生的荧光在液晶微球谐振腔与周围待测液体环境的交界面进行全内反射、放大、最终产生回音壁模式激光发射，液晶微球发射光经光学透镜聚焦、半透半反射镜分束后，一束光进入光谱分析仪记录下光谱，另一束光继续经过半透半反射镜、分束后进入电荷耦合器件CCD，由待测液体环境的温度发生微弱变化时液晶的折射率产生的变化符合公式其中Δλ为波长改变值、λ₀为发射激光波长、n为液晶的折射率、ΔT为环境温度改变值、dn/dT定义为液晶的热光系数。

2.根据权利要求1所述的染料掺杂液晶微球温度传感器，其特征是：DCM掺杂的液晶溶液的组成为1μg荧光染料DCM掺入0.1ml胆甾相液晶溶液，所述胆甾相液晶溶液将手性剂以质量比26％掺入向列相液晶中得到的。

3.根据权利要求1或2所述的染料掺杂液晶微球温度传感器，其特征是：液晶微球的直径在十至几十微米。

4.根据权利要求1或2所述的染料掺杂液晶微球温度传感器，其特征是：与CCD相对应的位置放置卤素灯。

5.根据权利要求3所述的染料掺杂液晶微球温度传感器，其特征是：与CCD相对应的位置放置卤素灯。

6.一种染料掺杂液晶微球温度传感器的制备方法，其特征是：

(1)将手性剂以质量比26％掺入到向列相液晶中，得到胆甾相液晶溶液；

(2)将1μg荧光染料DCM掺入到0.1ml胆甾相液晶溶液中，混合溶液室温下使用磁力搅拌器搅拌两小时，随后使用超声波清洗仪超声处理一小时，得到DCM掺杂的液晶溶液；

(3)使用火焰加热拉伸技术将外径为164μm、内径为100μm的玻璃毛细管拉成内径为10μm的锥形毛细微管，锥形毛细微管的一端连接压力控制装置，通过控制压力抽取定量DCM掺杂的液晶溶液；

(4)锥形毛细微管另一端***待测液体环境中，通过控制压力装置的压力在待测液体中形成液晶微球，液晶微球直径范围为十至几十微米；

(5)Nd:YAG倍频脉冲激光器发射出的脉冲激光经光学透镜聚焦并照射到液晶微球表面，激发微球内部的染料DCM产生荧光，光子在液晶微球谐振腔与周围液体环境的交界面进行全内反射、放大，最终产生回音壁模式激光发射；

(6)液晶微球发射的激光经光学透镜聚焦，经半透半反射镜分束后，一束光进入光谱分析仪记录下光谱，另一束光继续经过半透半反射镜，分束后的光进入电荷耦合器件。

7.根据权利要求6所述的染料掺杂液晶微球温度传感器的制备方法，其特征是：与CCD相对应的位置放置卤素灯作为照明光源，卤素灯与CCD同时使用以实时监测待测液体中微球的情况。