据中国激光杂志社网，于2023年10月26日报道， 当前流速传感器信号检测过程相对复杂，易受温度和压力变化的影响，且部分流速计只能测导电液。针对此问题，南京邮电大学万洪丹教授团队设计并实现了一种基于高Q值轴向渐变型空芯微腔的流速传感器，且首次完成了在微压条件下微腔共振光场对流体的直接检测。该传感器具有尺寸小、重复性高、稳定性和实时性强等优势，在能源计量、环境保护和生化检测等领域具有较高的应用价值。
1.研究背景
流速检测在能源安全、环境监测、生化检测等各个领域具有重要作用。现有的流速传感器，如电磁流速计、涡街流速计、超声波流速计等，存在信号检测复杂、易受温度、压力影响等局限性，因此仍需克服现有技术障碍，设计并实现一种灵敏度高、分辨率高、结构简单且性能稳定的流速传感器。
2.轴向渐变型空芯微腔的高性能流速传感机理
空心光学微腔本身可作微流控通道并具有强的光-物质互作用特性，在高精度流体检测等生化传感方面具有广泛应用。然而，现有技术目前仍需特殊材料激发增强效应或激发高阶径向模式，其效率相对低且对耦合要求高，灵敏度和分辨率仍然受到限制。为此，万洪丹教授研究团队提出一种基于轴向渐变型空芯微腔（GHM）的流速传感器，首次实现了流体高性能检测。
图1为GHM和突变型空芯微腔（MHM）流体动力学分析与对比。由于GHM具有特殊轴向尺寸缓慢变化结构，弧度小且弧度区域管道长，传感区的横截面和轴截面的流速变化小，有利于传感区流速的保持。MHM的流速更多保持在腔内，而腔壁流速很小。因此，具有轴向缓变型结构的GHM相比于MHM，整体流速差别更小，靠近管壁外侧仍有可测的流速信息，GHM实现流速传感的有效性更高。
图2为GHM的制备、显微镜实物图、流速传感实验系统装置图和实验测得的高Q值回音壁模共振光谱。
图3为实验测得的相同耦合位置不同共振波长传感特性，其中（a）为共振波长随管内液体流速增加而红移，（b）为不同共振波长与流速的关系，(c)为共振波长与流速灵敏度的关系，灵敏度随着波长的增加而增加。
图4为该传感器的动态性、重复性和稳定性实验测试。微腔外径为221.06 μm时，实验获得该传感器最大流速灵敏度为0.27 pm/(μL/min)，分辨率为1.43 μL/min，同时具有较高的动态性、重复性和稳定性。
3.后续工作展望
基于轴向渐变型空芯微腔的高性能流速传感器有望解决当前技术的局限性，从而实现快速、实时、高灵敏流速检测。今后该团队将继续开展流速传感最先进的前沿研究工作，更快实现其在能源、生物、食品、环境安全监测等领域的实际应用。
主要作者
万洪丹，南京邮电大学副教授、硕士生导师
目前主要从事光纤激光器、光学微腔等微纳光学器件及其在光通信和光传感、生化检测等领域的科研、教学研究工作。在微纳光子学、光纤传感、生物光子学等方向以及相关交叉学科领域取得创新研究成果，入选江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师计划。
陈彧芳 南京邮电大学 博士
目前主要从事光纤传感器、微纳光纤器件及其在光传感和光通信领域的科学研究。主持两项江苏省研究生科研与实践创新计划项目，荣获南京邮电大学2022年“十大学术之星”。
施伟华，南京邮电大学教授、硕士生导师
目前主要从事新型光纤及其功能器件、光通信技术、光电子器件的研究和教学工作。
