CN102175645A - 一种基于偏振光检测的高灵敏光子晶体光纤折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于偏振光检测的高灵敏光子晶体光纤折射率传感器，包括单波长光源、起偏器、两个光纤准直器、V型槽、光子晶体光纤探测头和光功率计；单波长光源与起偏器一端连接，起偏器另一端与光纤准直器连接，另一个光纤准直器与光功率计连接，V型槽位于两个光纤准直器中间，光子晶体光纤探测头置于V型槽内。光子晶体光纤探测头由光子晶体光纤一边熔接普通单模光纤后构成，并且普通光纤端面经过飞秒激光器加工形成一个V型区域用于待测液体灌入光子晶体光纤，V型区域的大小为普通单模光纤面积的八分之一至六分之一，其中光子晶体光纤的长度为10mm，普通单模光纤的长度为0.2mm。本发明具有可以实现痕量检测、灵敏度极高等优点。
Description
技术领域
本发明属于折射率传感器领域，涉及一种基于偏振光检测的高灵敏光子晶体光纤折射率传感器。
背景技术
在化学和生物传感器中，折射率传感器占有重要的地位。折射率与物质含量、组成或浓度等其它的一些参量成正相关的关系，因而可通过测量折射率来间接测量这些相关参量。因此对液体折射率的测量，在化工、食品分析、未知物鉴定、质量监控、污染分析和油井监测等众多重要领域有广泛的应用。目前，测量折射率的方法有布儒斯特角法、阿贝折光仪、干涉法、分光光度计、表面等离子体增强发射谱法和光速测量仪等测量方法。但是这些方法中，有的测量范围受限制，有的要求对被测样品进行复杂加工、仪器调整复杂，有的使用环境要求苛刻、可靠性差，有的制造技术复杂、成本高。
光纤传感器有许多独特的优点，如抗电磁干扰，体积小，抗腐蚀等，可应用于各种不同的环境中。基于光纤的折射率传感器多种多样，目前主要有基于长周期光纤光栅(LPG)和光纤布拉格光栅(FBG)的折射率传感器。由于其谐振波长易受外界折射率影响，长周期光纤光栅作为折射率传感器得到了广泛的研究。光纤布拉格光栅的耦合光发生于纤芯模之间，在经过均匀腐蚀后也可用于折射率传感测量。
基于长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的折射率传感器对折射率为1.333附近的待测水溶液灵敏度普遍不高，无法满足含微量样品的水溶液折射率检测的需要。而且现有的折射率传感器技术都需要一定量的待测溶液，使探测光纤浸入到待测溶液中，当样品溶液量极少时很难实现检测。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有折射率传感器对含微量样品的水溶液检测灵敏度低和无法实现痕量检测等缺点，提出一种基于偏振光检测的高灵敏光子晶体光纤折射率传感器。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于偏振光检测的高灵敏光子晶体光纤折射率传感器，包括单波长光源、起偏器、两个光纤准直器、V型槽、光子晶体光纤探测头和光功率计；单波长光源与起偏器一端连接，起偏器另一端与光纤准直器连接，另一个光纤准直器与光功率计连接，V型槽位于两个光纤准直器中间，光子晶体光纤探测头置于V型槽内。
光子晶体光纤探测头由光子晶体光纤一边熔接普通单模光纤后构成，并且普通光纤端面经过飞秒激光器加工形成一个V型区域用于待测液体灌入光子晶体光纤，V型区域的大小为普通单模光纤面积的八分之一至六分之一，其中光子晶体光纤的长度为10mm，普通单模光纤的长度为0.2mm。
本发明所具有的优点为：一种基于偏振光检测的高灵敏光子晶体光纤折射率传感器，以长为10.2mm的光子晶体光纤为探测头，整个探测头体积小，结构简单；使用时只需将光子晶体光纤探测头熔有单模光纤的一端蘸取极少量的待测液体，即可满足检测需要，实现痕量检测；同时此折射率传感器具有很高的灵敏度，特别适用于含微量样品水溶液的折射率检测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是光子晶体光纤探测头的结构示意图。
图3是光子晶体光纤的横截面示意图。
图4是光子晶体光纤探测头熔有单模光纤一端的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，一种基于偏振光检测的高灵敏光子晶体光纤折射率传感器，包括单波长光源1、起偏器2、两个光纤准直器3、V型槽4、光子晶体光纤探测头5和光功率计6；其特征在于，单波长光源1与起偏器2一端连接，起偏器2另一端与光纤准直器3连接，另一个光纤准直器3与光功率计6连接，V型槽4位于两个光纤准直器3中间，光子晶体光纤探测头5置于V型槽4内。
如图2、3和4所示，光子晶体光纤探测头5由光子晶体光纤8一边熔接普通单模光纤7后构成，并且普通光纤7端面经过飞秒激光器加工形成一个V型区域9用于待测液体灌入光子晶体光纤，V型区域9的大小为普通单模光纤面积的八分之一至六分之一，其中光子晶体光纤的长度8为10mm，普通单模光纤7的长度为0.2mm。
本发明基于以下原理：
入射光源为一个带有DFB自反馈电路系统的单波长光源，DFB自反馈电路系统可以稳定光源，消除光源抖动带来的干扰。入射光的波长是位于光子晶体光纤带隙边缘的光波长。起偏器用于调节入射光的偏振态，使得入射光的偏振态调整为Y偏振态。两个光纤准直器与V型槽处于同一水平面，通过调节光纤准直器使得光能顺利从置于V型槽内的光子晶体光纤探测头中通过。最后由光功率计检测出射光强。
光子晶体光纤探测头由光子晶体光纤一边熔接普通单模光纤后构成，并且普通光纤端面经过飞秒激光器加工形成一个V型区域。V型区域的飞秒激光器加工技术具体可参考文献“Selective opening of air holes in photonic crystal fiber”，Optics Letters，vol.35，no.23，3886-3888。待测液体通过该V型区域灌入到光子晶体光纤，只有V型区域内的空气孔灌入液体，实现光子晶体光纤部分灌入。部分灌入液体的光子晶体光纤有一个较高的偏振相关损耗。波长位于光子晶体光纤带隙边缘的Y偏振光对所灌入液体折射率非常敏感。当灌入液体折射率发生变化时，Y偏振光的光强也会发生明显的变化。使用该光子晶体光纤探测头时，只需将熔有单模光纤的光子晶体光纤探测头一端蘸取待测液体。由于光子晶体光纤包层空气孔的毛细管力，待测液体会通过V型区域灌入到光子晶体光纤内，灌入量可以通过灌入速度和灌入时间来控制。通过检测经过光子晶体光纤探测头的Y偏振光损耗即可实现折射率传感。
本实施例中我们使用的光子晶体光纤是由Crystal Fiber A/S生产的HC-1550-02光子带隙型光子晶体光纤。以波长为1530nm的光作为输入光源，灌入待测液体的时间为1s，被灌入待测液体的光子晶体光纤长度为1mm。使用全矢量有限元的方法，我们模拟出灌入不同折射率的待测液体时，Y偏振光的光强损耗。当折射率为1.333的水溶液时，Y偏振光的光强损耗为3.96dBm；当水溶液掺入极微量样品后折射率变为1.33395时，Y偏振光的光强损耗为7.30dBm。由以上结果可知，此传感器对水样溶液的折射率微量变化有很好的传感效果，水样溶液折射率灵敏度达3515.79dBm/RIU；当使用分辨率为0.01dBm的光功率计监测时，可以检测出水样溶液10-6折射率的细微变化。
Claims (2)
1.一种基于偏振光检测的高灵敏光子晶体光纤折射率传感器，包括单波长光源、起偏器、两个光纤准直器、V型槽、光子晶体光纤探测头和光功率计；其特征在于，单波长光源与起偏器一端连接，起偏器另一端与光纤准直器连接，另一个光纤准直器与光功率计连接，V型槽位于两个光纤准直器中间，光子晶体光纤探测头置于V型槽内。
2.如权利要求1所述的一种基于偏振光检测的高灵敏光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，所述的光子晶体光纤探测头由光子晶体光纤一边熔接普通单模光纤后构成，并且普通光纤端面经过飞秒激光器加工形成一个V型区域用于待测液体灌入光子晶体光纤，V型区域的大小为普通单模光纤面积的八分之一至六分之一，其中光子晶体光纤的长度为10mm，普通单模光纤的长度为0.2mm。
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