CN102156109A - 基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，其包括有激光器、光子晶体、第一光功率探头和第二光功率探头；所述光子晶体具有相互平行且相同的第一线缺陷波导和第二线缺陷波导，所述激光器位于第一线缺陷波导的左侧，并且向该第一线缺陷波导输入探测光，所述第一光功率探头位于所述第一线缺陷波导的右侧，并测定该第一线缺陷波导输出光的功率，所述第二光功率探头位于所述第二线缺陷波导的右侧，并测定该第二线缺陷波导输出光的功率。本发明具有结构简单、体积小巧、测量精度高、响应速度快、操作方便的优点，适用于流体折射率的大规模快速测量。

Description

基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器

技术领域：

本发明涉及一种快速流体折射率探测装置，更具体地说涉及一种基于二维光子晶体相邻平行线波导对的新型流体折射率探测器，属测量技术领域。

背景技术：

光子晶体的概念最早是在1987年提出的。光子晶体是一种按照晶体的结构对称性制备的周期性微介电结构，主要有三角晶格和矩形晶格两种晶格结构。光子晶体最基本的特性就是具有光子禁带，频率在光子禁带频率内的光由于受到周期性电解质材料的强烈布拉格衍射，不能在光子晶体中传播。当在完整的光子晶体中引入缺陷时，光子禁带中会出现一个缺陷模，使原本不能在光子晶体中传播的光能在缺陷中传播，这就形成了光子晶体波导。光子晶体中两个缺陷相距很近时会产生耦合现象，基于该耦合理论的光子晶体光子耦合器可用于制作多种光子器件。基于光子晶体的光电器件最近得到了广泛的研究开发，相较于其他的光电器件，光子晶体器件具有体积小，易于集成以及器件不受外界电磁环境影响等优点，这些特点为光电子器件向高度集成化发展提供了新的应用前景。

流体折射率测量在医药、化工、食品、以及科研方面等领域有很广泛的应用。随着激光技术、光电技术的迅速发展和广泛应用，基于光学原理的流体折射率探测方法也得到了极大发展。目前在溶液浓度的检测方面，常用的光学检测方法有干涉法、阿贝折射计临界角法、V型棱镜测量法等，其中干涉法包括法布里-珀罗干涉、等厚干涉等方法。这些方法都具有各自的优势，但同时也都存在着不足和限制：法布里-珀罗干涉法测量系统中，要求光源光束必须严格垂直于F-P腔，这给入射光源的精度提出了很高的要求，系统调整难度很大；等厚干涉法中测量精度受显微镜精度影响，且条纹极值需要人眼分辨，难以满足高精度测量的要求；阿贝折射计临界角法受到仪器中折射棱镜自身的折射率和顶角的限制，不能测量折射率较大和较小的物质；V型棱镜测量法中对棱镜顶角以及两个平面的平面度有很高精度要求，增加了系统制造难度和成本，并且操作精度要求较高。

总之，上述各种流体折射率测量系统或多或少都存在着结构复杂、精度有限、操作困难的缺陷。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服现有流体折射率测量装置的缺陷，提供一种新颖的基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，其具有结构简单、体积小巧、测量精度高、响应速度快、操作方便的优点。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，其包括有激光器、光子晶体、第一光功率探头和第二光功率探头；所述光子晶体具有相互平行且相同的第一线缺陷波导和第二线缺陷波导，所述激光器位于第一线缺陷波导的左侧，并且向该第一线缺陷波导输入探测光，所述第一光功率探头位于所述第一线缺陷波导的右侧，并测定该第一线缺陷波导输出光的功率，所述第二光功率探头位于所述第二线缺陷波导的右侧，并测定该第二线缺陷波导输出光的功率。

本发明所述的基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，其光子晶体为矩形晶格排列结构的圆形硅介质柱；所述第一线缺陷波导和第二线缺陷波导是通过在所述光子晶体中各自去除一排硅柱而形成的，该两被去除的硅柱相互平行，该两线缺陷波导长度为45μm，宽度为15μm，之间间隔三排硅柱；所述光子晶体的晶格常数a＝0.5μm，硅柱半径r＝0.1μm；所述激光器发出的探测光的波长λ＝1.56μm。

本发明的有益效果是：所述基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器结构非常简单、体积小巧、性能稳定可靠，该探测器无需花费精力去调整复杂的探测光路，整个测量过程中也不需要人为调整任何部件，使用的半导体光功率探头测量精度高、响应速度快、操作方便，适合大规模集成和大规模快速测量。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1本发明的结构示意图，图示基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器包括有激光器1、光子晶体2、第一光功率探头3和第二光功率探头4。

所述光子晶体2为矩形晶格排列结构的圆形硅介质柱，其晶格常数a＝0.5μm，硅柱半径r＝0.1μm。该光子晶体2具有相同的第一线缺陷波导21和第二线缺陷波导22，该第一线缺陷波导21和第二线缺陷波导22相互平行，它们是在完整的矩形晶格光子晶体中通过各自去除一排硅柱而形成的，该两被去除的硅柱相互平行，该两线缺陷波导21和22之间间隔三排硅柱，它们的长度均为45μm，宽度均为15μm。

所述激光器1位于第一线缺陷波导21的左侧，并且向该第一线缺陷波导21发射和输入探测光L，其发出的探测光L的波长λ＝1.56μm。

所述第一光功率探头3和所述第二光功率探头4为相同的半导体光功率探头，用于测定线缺陷波导对的输出光功率。所述第一光功率探头3位于所述第一线缺陷波导21的右侧，并测定该第一线缺陷波导21输出光的功率，所述第二光功率探头4位于所述第二线缺陷波导22的右侧，并测定该第二线缺陷波导22输出光的功率。

本发明所述基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器的操作步骤如下：

第一步，先将待测量流体导入所述流体折射率探测器，将其作为光子晶体2的基底介质，需注意待测流体要完全浸没探测器。

第二步，启动所述激光器1以及传输设备，发出波长λ＝1.56μm的探测光L，该探测光L由左端输入第一线缺陷波导21，由于光子晶体2的相邻缺陷模之间存在的模耦合效应，探测光L会在第一线缺陷波导21和第二线缺陷波导22之间相互耦合并向右端传输；随背景介质(待测流体)折射率的不同，耦合效应也会不同，则第一线缺陷波导21和第二线缺陷波导22的右端所输出的光能量分布也会产生变化。

第三步，探测光L传输到两线缺陷波导21和22的右端，由第一线缺陷波导21向第一光功率探头3输出出射光L1，第一光功率探头3测定出第一线缺陷波导21的输出光功率p1；由第二线缺陷波导22向第二光功率探头4输出出射光L2，第二光功率探头4测定出第二线缺陷波导22的输出光功率p2。

第四步，计算待测流体折射率，

光子晶体2中不同基底介质，即待测流体折射率对应着不同的线缺陷波导对的输出功率分布。根据本探测器得到的测试数据显示：随着背景折射率的增大，两线缺陷波导1和2的输出光功率会单调变化。因为实验结果会受到杂散光的影响，所以为了消除探测器中杂散光对光功率探头3和4的影响，计算时选取数据为两线缺陷波导1和2的输出光功率之差。即

x＝p2-p1；

则基底介质即待测流体折射率y与线缺陷波导对输出光功率差值x的关系表述为：

y＝-0.2144x²+0.0109x+1.4727

通过将半导体光功率探头3和4测定的稳定输出功率p1、p2代入上述两个计算式中，即可得到光子晶体2的基地介质折射率即待测流体的折射率y。

Claims (7)

1.一种基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，其特征在于：所述流体折射率探测器包括有激光器、光子晶体、第一光功率探头和第二光功率探头；所述光子晶体具有相互平行且相同的第一线缺陷波导和第二线缺陷波导，所述激光器位于第一线缺陷波导的左侧，并且向该第一线缺陷波导输入探测光，所述第一光功率探头位于所述第一线缺陷波导的右侧，并测定该第一线缺陷波导输出光的功率，所述第二光功率探头位于所述第二线缺陷波导的右侧，并测定该第二线缺陷波导输出光的功率。

2.如权利要求1所述的基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，其特征在于：所述光子晶体为矩形晶格排列结构的圆形硅介质柱。

3.如权利要求2所述的基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，其特征在于：所述第一线缺陷波导和第二线缺陷波导是通过在所述光子晶体中各自去除一排硅柱而形成的，该两被去除的硅柱相互平行。

4.如权利要求3所述的基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，其特征在于：所述第一线缺陷波导和第二线缺陷波导之间间隔三排硅柱。

5.如权利要求2、3或4所述的基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，其特征在于：所述光子晶体的晶格常数a＝0.5μm，硅柱半径r＝0.1μm。

6.如权利要求1所述的基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，其特征在于：所述第一线缺陷波导和第二线缺陷波导的长度为45μm，宽度为15μm。

7.如权利要求1所述的基于光子晶体平行线波导的流体折射率探测器，其特征在于：所述激光器发出的探测光的波长λ＝1.56μm。