CN104297839B - 一种光子晶体光纤和光子晶体光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光子晶体光纤和光子晶体光纤传感器。一种光子晶体光纤，包括：包层、纤芯、至少一个空气孔；空气孔的横截面为扇形，空气孔的弧形面远离纤芯设置，空气孔的内壁上先镀有氟化钙薄膜，后镀有金纳米薄膜。一种光子晶体光纤传感器。本发明具有以下优点：光子晶体光纤外径为125μm，使得在光网络中光纤之间的耦合、熔接等操作能够非常方便的实现。较大的空气孔直径有利于实现金属纳米镀膜以及待测微流体填充，且操作中无需选择性镀膜，保证传感准确性。操作过程简单快速，能够实现对环境介质的实时传感测量。提出双层镀膜的操作方式，能够有效降低光子晶体光纤的传输损耗，提高传感的稳定性和灵敏度。

Description

一种光子晶体光纤和光子晶体光纤传感器
技术领域
本发明涉及一种光子晶体光纤和光子晶体光纤传感器，属于光子晶体光纤传感技术领域。
背景技术
上世纪80年代以来，光纤低损耗传输成为现实，将光纤技术用于传感逐渐成为传感器技术发展的前沿课题。与传统传感器相比，光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、灵敏度高、易于组成光纤传感网络等特点，在国防、通信、工业生产加工、生物医药的精密检测、光网络建设等领域展现出其强大优势。
光子晶体光纤又称为微结构光纤，通常含有不同排列形式的空气孔，因此其横截面上的折射率分布有可能比较复杂，是一种特殊形式的光纤。相对于普通光纤来说，光子晶体光纤具有许多优良特性，比如无截止单模传输、设计灵活、模场面积和非线性系数可控等。另外，由于光子晶体光纤内部含有空气孔，利用光子晶体光纤作为传感器，还具有无需封装、易于实现相位匹配等优势。目前，采用光子晶体光纤作为传感器的设计是国内外传感领域研究的一大热点。
光在金属与介质界面传播时，能够激发产生表面等离子体。当满足一定条件时，光纤的传导模式与产生的等离子体模式就能产生共振，表现为信号光被强烈吸收，传输的能量急剧下降，于是在透射光谱上就会出现非常明显的吸收峰。表面等离子体共振对介质环境十分敏感，当邻近的待测微流体的折射率发生微小变化时，吸收峰的位置将随之产生非常明显的移动。通过测量吸收峰的位置就能够实现对介质环境的实时传感。利用金属表面等离子体共振的高灵敏特性制成的传感器同样具有非常高的灵敏度，同时，由于大部分生物分子的折射率都介于1.33-1.42之间，因此该传感器可以广泛应用于生物医学目标生物分子的含量、分析生物分子结合过程的动力学以及药物与生物分子之间相互作用等的相关过程的检测，对传感器的发展具有非常重要的实际意义。
2006年A.Hassani等人首先提出基于光子晶体光纤表面等离子体共振传感的设计，其灵敏度能够达到10-4RIU。随后，各种基于此思想的设计被逐渐提出来。然而，在众多的设计结构中，均存在需要在微米量级的空气孔中镀金属纳米薄膜和填充待测微流体的问题。然而,现有的基于光子晶体光纤的传感技术中，作为微流体通道的空气孔的直径过小或者过大。当空气孔的直径过小时，金属纳米镀膜和待测微流体的填充比较困难；当空气孔直径过大时，光子晶体光纤在测量波段的损耗将明显增大，不利于信号的传输。
发明内容
本发明的目的是提供一种光子晶体光纤和光子晶体光纤传感器，用以解决作为微流体通道的空气孔的直径过小时，金属纳米镀膜和待测微流体的填充比较困难；当空气孔直径过大时，光子晶体光纤在测量波段的损耗将明显增大，不利于信号的传输的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种光子晶体光纤，包括：包层、纤芯、至少一个位于包层中的空气孔。空气孔的横截面为扇形，空气孔的弧形面远离纤芯设置，空气孔的内壁上先镀有氟化钙薄膜，后镀有金纳米薄膜。
该光子晶体光纤包括4个大小相同的空气孔，空气孔围绕纤芯均匀分布。
空气孔的横截面为90°的扇形。
空气孔内侧靠近纤芯的部分的曲率半径为2μm，相邻空气孔间隔为200nm。
氟化钙薄膜的厚度为1μm，金纳米薄膜的厚度为40nm。
本发明的方案还包括一种光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤，该光子晶体光纤包括：包层、纤芯、至少一个位于包层中的空气孔。空气孔的横截面为扇形，空气孔的弧形面远离纤芯设置，空气孔的内壁上先镀有氟化钙薄膜，后镀有金纳米薄膜。
光子晶体光纤包括4个大小相同的空气孔，空气孔围绕纤芯均匀分布。
空气孔的横截面为90°的扇形。
空气孔内侧靠近纤芯的部分的曲率半径为2μm，相邻空气孔间隔为200nm。
氟化钙薄膜的厚度为1μm，金纳米薄膜的厚度为40nm。
本发明具有以下优点：
(1)光子晶体光纤为与常规光纤的外径尺寸一致,均为125μm，使得在光网络中光纤之间的耦合、熔接等操作能够非常方便的实现。
(2)由于大幅增大正方晶格光子晶体光纤包层中空气孔的直径，能够有效解决其它传感器中空气孔过小难以操作的问题，有利于实现金属纳米镀膜以及待测微流体填充，且操作中无需选择性镀膜，保证传感准确性。操作过程简单快速，能够实现对环境介质的实时传感测量。
(3)提出双层镀膜的操作方式。第一层为常用的镀膜材料氟化钙,其薄膜厚度为1μm，由于氟化钙的折射率略低于石英，因此能够有效降低光子晶体光纤的传输损耗。第二层为金纳米薄膜，其厚度为40nm。金的性能稳定,作为金属表面等离子体共振形成的载体，保证传感的稳定性和灵敏度。
附图说明
图1是光子晶体光纤的横截面的示意图；
图2是光子晶体光纤空气孔中填充有不同折射率的待测生物微流体时的损耗关系曲线；
图3是强度探测法获得的灵敏度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
一种光子晶体光纤，包括：包层、纤芯、至少一个位于包层中的空气孔；空气孔的横截面为扇形，空气孔的弧形面远离纤芯设置，空气孔的内壁上先镀有氟化钙薄膜，后镀有金纳米薄膜。
一种光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤，该光子晶体光纤包括：包层、纤芯、至少一个位于包层中的空气孔；空气孔的横截面为扇形，空气孔的弧形面远离纤芯设置，空气孔的内壁上先镀有氟化钙薄膜，后镀有金纳米薄膜。
基于以上技术方案，结合附图，给出以下一个具体实施方式。
如图1所示为本发明所述的一种光子晶体光纤，包括纤芯1、包层2、空气孔3、金纳米薄膜4、氟化钙薄膜5。
光子晶体光纤的材料为性能稳定的石英，折射率约为1.54,且折射率随着波长的变化为略有差异。采用实芯包层结构，纤芯作为能量传输的通道,其直径为2μm；外径为标准的125μm，能够方便的与其它光纤进行耦合、熔接等操作。
包层中有4个正方排列、大小相同的空气孔，空气孔的横截面为90°扇形，这4个空气孔的弧形面都远离纤芯设置，4个空气孔围绕纤芯均匀中心分布，空气孔内侧靠近纤芯部分曲率半径为r＝2μm，空气孔曲率半径的设定是为了减小纤芯直径，获得较大的有效模场面积；外侧由于远离纤芯，对传感影响可以忽略，因此其曲率半径不做定量要求，为方便操作，空气孔外径应尽量远离纤芯，使空气孔尽量大即可。相邻空气孔间距为200nm。
光子晶体光纤的四个空气孔内壁均镀有一层氟化钙薄膜和一层金纳米薄膜之后作为待测微流体的通道。其中，先镀氟化钙薄膜，后镀金纳米薄膜。氟化钙是一种常用的镀膜材料，氟化钙薄膜具有降低反射、增加透射的功能，其厚度为1μm，由于氟化钙的折射率约为1.44，略低于石英，因此能够有效的限制能量在纤芯中传输，降低信号的传输损耗；金纳米薄膜厚度为40nm。金的性能稳定且灵敏度高，非常适合作为产生表面等离子体共振的载体，能够保证传感的稳定性、准确性和灵敏度。
当连续宽带光源入射到填充有待测微流体的光子晶体光纤中后，将在金纳米薄膜与待测微流体界面处形成表面等离子体共振，表现为输出的信号光会出现明显的吸收峰。图2为光子晶体光纤包层空气孔中填充有不同折射率的待测生物介质时的损耗关系曲线，其中微流体的折射率分别为na＝1.33、1.36、1.39。从图中可以看出，当待测生物介质折射率分别为na＝1.33、1.36、1.39时，分别在0.56μm、0.6μm、0.68μm处出现吸收峰。因此,基于该光子晶体光纤的传感器能够非常方便检测出生化反应过程中产生的不同折射率的生物介质。根据上面数据可以方便得出，用光谱探测法在该波段范围内得到该传感器的灵敏度为2μm/RIU，若光谱仪的分辨率能够达到10pm，则此时该传感器的分辨率为5×10-6RIU。
根据图2可知，入射光也可以是单一波长。在所描述波段范围内，若光子晶体光纤中填充有不同折射率的生物介质，由于吸收峰的存在，此波长的透射强度会有所不同。如图3所示为单色光入射时强度探测法所得的灵敏度曲线图。从图中可以看出，当信号光波长为0.66μm时，该传感器的灵敏度最高可达230RIU-1。假设探测器对于1％的幅度变化可以探测出来，则此传感器的分辨率可以达到4.3×10-5RIU。
由上可知，本发明提供的基于该光子晶体光纤的传感器通过上述两种测量方式(光谱探测法和强度探测法)所得的灵敏度和分辨率都非常高。
本发明还提供一种光子晶体光纤传感器，其具体实施方式与上述光子晶体光纤的具体实施方式相同，在此不做赘述。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种光子晶体光纤，包括：包层、纤芯、4个位于包层中的空气孔；其特征在于，所述空气孔的横截面为扇形，所述扇形包括第一弧形面和第二弧形面；空气孔的第一弧形面远离纤芯设置，空气孔的第二弧形面为空气孔内侧靠近纤芯的部分；空气孔的内壁上先镀有氟化钙薄膜，后镀有金纳米薄膜；所述空气孔的横截面为90°的扇形；所述空气孔的第二弧形面的曲率半径为2μm；纤芯的直径为2μm。
2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤包括4个大小相同的空气孔，所述空气孔围绕纤芯均匀分布。
3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，相邻空气孔间隔为200nm。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述氟化钙薄膜的厚度为1μm，金纳米薄膜的厚度为40nm。
5.一种光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤，该光子晶体光纤包括：包层、纤芯、4个位于包层中的空气孔；其特征在于，所述空气孔的横截面为扇形，所述扇形包括第一弧形面和第二弧形面；空气孔的第一弧形面远离纤芯设置，空气孔的第二弧形面为空气孔内侧靠近纤芯的部分；空气孔的内壁上先镀有氟化钙薄膜，后镀有金纳米薄膜；所述空气孔的横截面为90°的扇形；所述空气孔的第二弧形面的曲率半径为2μm；纤芯的直径为2μm。
6.根据权利要求5所述的光子晶体光纤传感器，其特征在于，所述光子晶体光纤包括4个大小相同的空气孔，所述空气孔围绕纤芯均匀分布。
7.根据权利要求5所述的光子晶体光纤传感器，其特征在于，相邻空气孔间隔为200nm。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的光子晶体光纤传感器，其特征在于，所述氟化钙薄膜的厚度为1μm，金纳米薄膜的厚度为40nm。
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