CN101762566B - 光子晶体微腔缺陷模气体传感方法 - Google Patents

光子晶体微腔缺陷模气体传感方法 Download PDF

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Abstract

一种光子晶体微腔激光器进行气体折射率传感的方法，包括如下步骤：步骤1：取一光子晶体激光器F，将光子晶体激光器F置于恒温箱中；步骤2：搭建传感所需的光路系统，该光路系统包括：一光源，在光源的入射光路上有一偏振片、一半反半透镜及一置放有光子晶体激光器F的恒温箱，在与入射光路垂直的半反半透镜的反射光路上依次置放有探测器和光谱仪；步骤3：通过光源发出的光照射在光子晶体激光器F上，激发出激光经半反半透镜，由探测器收集；步骤4：光谱仪将探测器收集的激光光谱进行分析，得到激射峰数据，完成折射率的传感。

Description

光子晶体微腔缺陷模气体传感方法
技术领域
本方法涉及光传感领域、气体传感器和折射率的测量，特别是一种利用激光光谱来测定折射率变化的方法。
背景技术
光学传感是一个有力的检测手段和分析工具，其在生物、制药、健康、环境监测等领域都有着重要的应用。光传感技术主要应用的检测技术有：折射率检测，光学吸收谱检测和拉曼分光镜检测等。其中折射率检测的原理是，当目标检测物的参数发生变化时，其折射率会发生改变，进而影响到光波的特性；通过检测光波不同特性的改变，可以检测出目标检测物参数的改变。
现有的基于检测折射率变化的光学传感结构主要有：表面等离子体共振、干涉计、光学波导、光学环形振荡器、光学光纤和光子晶体。其中光子晶体结构主要采用的是光子晶体波导或者光子晶体光纤，如N.Skivesens等，Opt.Express 15(2007)3169；也有一些采用一维光子晶体阵列。
Chou等人提出了一种利用二维光子晶体微腔的结构进行传感，其微腔的品质因子只有400，能检测到得最小折射率变化为0.002。Adams等人设计了一种微腔品质因子可达到6300的结构，能检测的最小折射率变为为0.001。
已报道的用于传感的二维光子晶体微腔结构，都是利用其透射谱或反射谱，其微腔品质因子普遍是103量级，其所能检测到的最小折射率变化为10-3量级。这对于折射率变化非常微弱的气体传感来说，精度上往往达不到要求。
本发明通过改良缺陷微腔的参数，使得微腔的Q值可以达到105量级，并采用激射光谱来进行传感，检测到得最小折射率变化可以达到10-5量级。对于测量精度要求更高的场合，本方法可以提供很好的应用。
发明内容
本发明通过调整缺陷微腔的结构参数，得到了较高Q值的微腔，从而提供了一种具有较高测量精度的，能够将传感器做的很小，同时工艺流程并不复杂的传感方法。
本发明提供一种光子晶体微腔激光器进行气体折射率传感的方法，包括如下步骤：
步骤1：取一光子晶体激光器F，将光子晶体激光器F置于恒温箱中，该光子晶体激光器F包括：一量子阱，在量子阱上制作有光子晶体阵列，该光子晶体阵列包括有多个普通气孔，该普通气孔又制作有缩小气孔，该量子阱的材料为InP/InGaAsP，其PL峰值波长为1.55um，量子阱的阱压为0.85％；光子晶体的品质因子高于105，该光子晶体结构的晶格常数a为570nm，普通气孔的半径为0.35a，缩小气孔的半径为0.25a，缩小气孔制作在向外推至与原普通气孔相内切的位置；
步骤2：搭建传感所需的光路系统，该光路系统包括：一光源，在光源的入射光路上有一偏振片、一半反半透镜及一置放有光子晶体激光器F的恒温箱，在与入射光路垂直的半反半透镜的反射光路上依次置放有探测器和光谱仪；
步骤3：通过光源发出的光照射在光子晶体激光器F上，激发出激光经半反半透镜，由探测器收集；
步骤4：光谱仪将探测器收集的激光光谱进行分析，得到激射峰数据，对激光光谱进行分析是采用公式，
(λ1-λ2)/(n1-n2)＝灵敏度            (1)
其中：λ1代表恒温箱内充满折射率为n1的气体时，在光源泵浦下，光谱仪得到的激射峰位置；λ2代表恒温箱内充满折射率为n2的气体时，在光源泵浦下，光谱仪得到的激射峰位置，完成折射率的传感。
所述光子晶体结构为一三角晶格晶体结构。
其中所述激光的中心波长为通讯波段1550nm。
其中所述光子晶体在进行激射峰位置对比时，所采用的光谱为激光的激射光谱；所述激光偏振态为TE模式。
其中所述光源为一980nm激光光源。
其中灵敏度为170nm/RIU。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，下面根据附图和实施例对本发明进行详细说明，其中：
图1为本发明的光路系统结构示意图；
图2为光子晶体激光器F的结构示意图；
图3为利用本方法进行传感计算得到的光谱曲线。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种光子晶体微腔激光器进行气体折射率传感的方法，包括如下步骤：
首先，取一光子晶体激光器F，将光子晶体激光器F置于恒温箱G中；该光子晶体激光器F包括：InP/InGaAsP量子阱21，其PL峰值波长为1.55um，量子阱21的阱压为0.85％；之后，采用电子束曝光、反应离子束刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀等技术制作出光子晶体阵列22，该光子晶体阵列22包括有多个普通气孔23，该普通气孔23又制作有缩小气孔24，并采用湿法腐蚀方法掏空来形成空气桥结构。光子晶体22采用三角晶格晶体结构，晶格常数a为570nm，普通气孔23的半径为0.35a，缩小气孔24的半径为0.25a，缩小气孔24向外推至与原普通气孔23相内切的位置；光子晶体阵列22微腔品质因子高于105；
其次，搭建传感所需的光路系统，该光路系统包括：一980nm红外泵浦光源A，在光源A的入射光路上，有一偏振片B用来产生TE偏振的泵浦光、一半反半透镜C用来对980nm光高透和对1550nm光高反，及一置放有光子晶体激光器F的恒温箱G，在与入射光路垂直在半反半透镜C的反射光路上依次置放有探测器D和光谱仪E；其中光子晶体激光器F包括：一量子阱21，在量子阱21上制作有一光子晶体阵列22；
步骤3：通过光源A发出的光照射在光子晶体激光器F上，激发出中心波长在1550nm附近的激光，经半反半透镜C，由探测器D收集或是单色仪加锁相放大器收集；
步骤4：光谱仪E将探测器D收集的激光光谱进行分析，得到激射峰数据，完成折射率的传感。
当恒温箱G中的气体为普通空气时，偏振光经过半反半透镜C以后照射光子晶体22，光被强烈的局限在缺陷中，水平方向上由光子晶体结构提供限制，竖直方向上由内全反射提供限制；光子只能通过共振隧穿效应穿越光子晶体平面或者以足够大的角度穿越空气和介电平板组成的界面。我们通过如图2的结构降低缺陷腔对称性，可实现单模微腔，并进而实现激射。
激射光通过半反半透镜C以后，由探测器D接收并由光谱仪E绘制出其光谱特性曲线，由于微腔Q值很高，在本实例中品质因为约为105量级；激射峰很窄，其半高宽约为10-5量级，因此峰的漂移只要大于10-5um即0.01nm即是可分辨的，这对于普通的光谱仪是可以实现的，从而可以达到很高的传感精度。
图3中黑色实线代表的是恒温箱G中气体为空气时，光子晶体微腔的激射光谱；图中黑色虚线代表的是恒温箱G中气体为空气时，光子晶体微腔的激射光谱；黑色点线代表的是恒温箱G中气体为二氧化碳时，光子晶体微腔的激射光谱；黑色点划线代表的是恒温箱G中气体为乙醚时，光子晶体微腔的激射光谱。随着气体折射率的增大，光谱曲线中的激射峰会发生蓝移，我们可以从图3中计算得到，在折射率变化范围微小时，峰的漂移基本是线性的，其斜率系数即传感灵敏度为170nm/RIU。
当我们需要检测某个单种气体时，将待测气体置入恒温箱G内，使气体充满光子晶体22的气孔，开启泵浦光源A，光源A发出脉冲激光，在该激光激发下光子晶体22出射激光，由探测器D收集，并进行分析，我们在光谱仪E上得到激射峰的中心波长值，再对照各种气体标准的中心波长值表，即可得到待测气体的名称。
当我们需要检测的是多种不明气体混合的折射率时，将待测气体置入恒温箱G内，开启泵浦光源A，收集出射激光并分析，得到激射峰的波长为λ，我们假设在真空中激射峰的波长为λ0，则根据(λ1-λ2)/(n1-n2)＝灵敏度，其中λ1＝λ，λ2＝λ0，n2＝1，灵敏度＝170nm/RIU，则待测气体折射率n1＝1+(λ-λ0)/(n1-1)，从而通过计算可以求得待测气体的折射率n1，其中：λ1代表恒温箱G内充满折射率为n1的气体时，在光源A泵浦下，光谱仪E得到的激射峰位置；λ2代表恒温箱G内充满折射率为n2的气体时，在光源A泵浦下，光谱仪E得到的激射峰位置。
而气体的折射率往往是与压力、密度、成分等参数密切相关，我们就可以通过测量折射率的变化反映出上述参数的变化。
本方法所提供的光子晶体微腔结构，由于其本身高品质因子的特点，因此具有较高的精度；所采用光谱为激射谱，相对于透过谱也有信号较强、易于收集等特点。本方法所提供的传感灵敏度可以达到170nm/RIU，分辨率可达到10-5RIU。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光子晶体微腔激光器进行气体折射率传感的方法，包括如下步骤：
步骤1：取一光子晶体激光器F，将光子晶体激光器F置于恒温箱中，该光子晶体激光器F包括：一量子阱，在量子阱上制作有光子晶体阵列，该光子晶体阵列包括有多个普通气孔，该普通气孔又制作有缩小气孔，该量子阱的材料为InP/InGaAsP，其PL峰值波长为1.55um，量子阱的阱压为0.85％；光子晶体的品质因子高于105，该光子晶体结构的晶格常数a为570nm，普通气孔的半径为0.35a，缩小气孔的半径为0.25a，缩小气孔制作在向外推至与原普通气孔相内切的位置；
步骤2：搭建传感所需的光路系统，该光路系统包括：一光源，在光源的入射光路上有一偏振片、一半反半透镜及一置放有光子晶体激光器F的恒温箱，在与入射光路垂直的半反半透镜的反射光路上依次置放有探测器和光谱仪；
步骤3：通过光源发出的光照射在光子晶体激光器F上，激发出激光经半反半透镜，由探测器收集；
步骤4：光谱仪将探测器收集的激光光谱进行分析，得到激射峰数据，对激光光谱进行分析是采用公式，
(λ1-λ2)/(n1-n2)＝灵敏度            (1)
其中：λ1代表恒温箱内充满折射率为n1的气体时，在光源泵浦下，光谱仪得到的激射峰位置；λ2代表恒温箱内充满折射率为n2的气体时，在光源泵浦下，光谱仪得到的激射峰位置，完成折射率的传感。
2.根据权利要求1所述的光子晶体微腔激光器进行气体折射率传感的方法，其中所述光子晶体结构为一三角晶格晶体结构。
3.根据权利要求1所述的光子晶体微腔激光器进行气体折射率传感的方法，其中所述激光的中心波长为通讯波段1550nm。
4.根据权利要求1所述的光子晶体微腔激光器进行气体折射率传感的方法，其中所述光子晶体在进行激射峰位置对比时，所采用的光谱为激光的激射光谱；所述激光偏振态为TE模式。
5.根据权利要求1所述的光子晶体微腔激光器进行气体折射率传感的方法，其中所述光源为一980nm激光光源。
6.根据权利要求1所述的光子晶体微腔激光器进行气体折射率传感的方法，其中灵敏度为170nm/RIU。
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