CN108593598B - 一种检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器 - Google Patents

一种检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器 Download PDF

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Abstract

一种检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤包层和纤芯，光子晶体光纤包层由均匀排列的小空气孔构成，小空气孔呈六边形排列，两个纤芯布置在小空气孔阵列的中间位置，在小空气孔阵列中设置有六个大空气孔，六个大空气孔均与纤芯第一层小空气孔包络线相切，其中两个大空气孔与两个纤芯的第一层小空气孔的包络线均相切，另四个大空气孔只与一个纤芯的第一层小空气孔的包络线相切，只与一个纤芯第一层小空气孔的包络线相切的四个大空气孔内壁均镀设有金纳米薄膜。填充待测液体的空气孔为六个大空气孔，大空气孔解决了待测液体填充困难的问题。在六个大空气孔中选择纤芯纵向的四个大空气孔镀金纳米薄膜节省了金的使用量，同时减小了损耗，提高了波长灵敏度。

Description

一种检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤传感技术领域，特别是涉及测量高折射率液体的传感技术领域。
背景技术
得益于信息技术的发展，自动化和智能化发展迅猛，传感技术作为信息技术的三大支柱之一，对工业生产和日常生活都发挥着重要的作用。随着光纤传感器研究的不断深入，各种基于折射率引导型光子晶体光纤的表面等离子体共振（surface plasmonresonance, SPR）传感器的结构相继提出。自2006年Hassani和Skorobogatiy提出基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器以来，光子晶体光纤传感器由于其独特的结构优势和检测灵敏度高的特点受到广泛的关注。
光子晶体光纤传感器尺寸小，易于集成，设计灵活等特点，并且可以实现远程传感，其分辨率在10-5量级，远优于市面上其他类型的传感器，使得光子晶体光纤传感器在高精度的检测应用场景中极具竞争力。普通的光纤传感器需要侧抛，技术难度较大且侧抛后的光纤变脆易损坏，而光子晶体光纤由于在拉制过程中形成了空气孔，待测液体可以通入镀金纳米薄膜的空气孔，省去了侧抛的步骤，因而更具优势。
然而，光子晶体光纤引入空气孔降低了光纤的有效折射率。光子晶体光纤传感由于需要满足相位匹配，当待测液体的折射率较高时极易相位失配，导致超出传感器的测量范围。目前，绝大多数光子晶体光纤传感器能够检测的待测液体的折射率低于1.42，对苯、苯胺等高折射率的有机物的检测无能为力；另外，还存在动态折射率检测范围过小、填充待测液体的空气孔较小导致影响填充效率之类的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器。该光纤为双芯结构，具有六个大空气孔，待测液体填充入大空气孔方便；传感器的波长灵敏度高；具有大的动态折射率测量范围，特别适用于检测高折射率的待测液体。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤包层和纤芯，光子晶体光纤包层由均匀排列的小空气孔构成，小空气孔呈六边形排列，两个纤芯布置在小空气孔阵列的中间位置，在小空气孔阵列中设置有六个大空气孔，六个大空气孔均与纤芯第一层小空气孔包络线相切，其中两个大空气孔与两个纤芯的第一层小空气孔的包络线均相切，另四个大空气孔只与一个纤芯的第一层小空气孔的包络线相切，只与一个纤芯第一层小空气孔的包络线相切的四个大空气孔内壁均镀设有金纳米薄膜。
上述检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，所述两个纤芯关于光子晶体光纤的几何中心对称。
上述检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，所述两个纤芯水平方向上间距为6μm。
上述检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，所述小空气孔相邻气孔间距为2μm。
上述检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，所述小空气孔半径为0.6μm。
上述检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，所述六个大空气孔与两个纤芯的第一层空气孔包络线相切用于通入待测液体，大空气孔半径为0.86μm。
上述检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，只与一个纤芯的第一层小空气孔的包络线相切的四个大空气孔内壁镀40nm的金纳米薄膜。
上述检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，光子晶体光纤半径为10μm。
相对于现有技术，本发明有以下优点：
填充待测液体的空气孔为六个大空气孔，大空气孔解决了待测液体填充困难的问题。
在六个大空气孔中选择纤芯纵向的四个大空气孔镀金纳米薄膜节省了金的使用量，同时减小了损耗，提高了波长灵敏度，波长灵敏度最高可达3954.55 nm/RIU，对应的分辨率为2.53×10-5 RIU。
未镀膜的两个大空气孔起到两个纤芯能量的耦合作用，相较于单芯光子晶体光纤传感器，双芯之间能量耦合提高了动态折射率检测范围，其最佳检测范围为1.43-1.52，特别适用于检测高折射率的待测液体。
附图说明
图1为双芯光子晶体光纤传感器横截面示意图。
图2为待测液体折射率为1.43-1.52时光纤传感器的损耗谱。
图3为折射率-共振波长关系图。
图中：1.二氧化硅基底材料 2.小空气孔 3.金纳米薄膜 4.大空气孔 5.纤芯。
具体实施方式
一种检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，如图1所示，包括光子晶体光纤包层和纤芯，光子晶体光纤包层由均匀排列的小空气孔2构成，小空气孔呈六边形排列，省略的小空气孔的位置作为纤芯5，两个纤芯关于光子晶体光纤的几何中心对称，且在水平方向上间距为6μm。在小空气孔阵列中设置有六个大空气孔，六个大空气孔均与纤芯5的第一层小空气孔的包络线相切，其中两个大空气孔与两个纤芯的第一层小空气孔的包络线均相切，另四个大空气孔只与一个纤芯的第一层小空气孔的包络线相切，只与一个纤芯包层第一层小空气孔的包络线相切的四个大空气孔内壁均镀设有金纳米薄膜。小空气孔半径为0.6μm，大空气孔的半径为0.86μm，四个大空气孔镀40nm的金纳米薄膜，待测液体充入六个大空气孔。
本发明的小空气孔相邻小孔间距为2μm。
本发明的光子晶体光纤半径为10μm。
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双芯光子晶体光纤传感器，包括小空气孔2，金纳米薄膜3，大空气孔4。六个大空气孔与两个纤芯的第一层小空气孔包络线相切，既保证了很高的灵敏度又方便了待测液的填充。未镀膜的大空气孔填充液体提高了两个纤芯能量耦合强度，从而提高所述光子晶体光纤传感器的动态测量范围。
当一束连续宽带光源入射到充有待测液体的双芯光子晶体光纤传感器中，在金与待测液交界处发生表面等离子体共振，结果表现为检测光谱上会在特定波长处产生吸收峰，待测液的折射率不同吸收峰也将相应的发生移动。图2描述了待测液体的折射率分别为1.43-1.52时，所设计的光子晶体光纤传感器的损耗曲线。从图中可以看出，待测液体折射率增大时，共振峰发生红移，即向波长增加的方向移动。由于在检测光谱上共振峰对应的共振波长容易读出，因此可以方便的检测出待测液体的折射率。将折射率-共振波长关系绘制在一张图中，如图3所示，可以看出，共振波长与折射率呈线性变化，根据数据拟合结果，共振波长与折射率的关系为：
Figure 778347DEST_PATH_IMAGE001
，其中可决系数R2值为0.99722，表明线性度极高。由波长灵敏度的定义
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，波长灵敏度即拟合直线的斜率。在本实施例中
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。若光谱仪的分辨率为0.1nm，传感器的分辨率为2.53×10-5 RIU。可以看出，所述传感器具有极高的分辨率。
本发明结构纤芯为SiO2实芯，两个纤芯为对称结构；本发明结构液体填充在参数优化后的六个大空气孔中。本发明由于光子晶体光纤包层小空气孔呈六边形排列有诸如设计方便，拉制工艺成熟之类的优势，当前绝大多数的光子晶体光纤结构包层空气孔采用六边形排列，包层空气孔主要作用是将能量限制在纤芯和降低光纤的折射率便于实现相位匹配，且主要受第一层包层空气孔参数影响。
本领域的研究人员对表面等离子体共振光子晶体光纤传感器的能量耦合方式均深谙于心，即有完全耦合和不完全耦合两种，区别在于：1、双芯及多芯光子晶体光纤传感器在液体折射率较高时可能出现完全耦合，而单芯光纤传感器为不完全耦合，双芯及多芯结构的传感器在液体折射率较低时也为不完全耦合；2、完全耦合时共振峰出现在免交叉点处，基模与等离子体模式的色散曲线不相交，而不完全耦合时共振峰出现在相位匹配点处，基模与等离子体模式的色散曲线相交；3、完全耦合时基模与等离子体模式发生模场交换，损耗很大，且基模的损耗峰值随液体折射率变化不大，而不完全耦合只是部分基模能量转移至等离子体模式中，随液体折射率增加耦合系数增加，相应地，损耗峰也增加。本发明所设计的传感器由于大空气孔远离纤芯，半径选取合适，能量始终发生不完全耦合。概括来说，我们设计的传感器能量耦合方式为不完全耦合。
光子晶体光纤传感器设计灵活，空气孔直径，孔间距等参数对传感器性能的影响极大，由于传感器的应用场景不同选取不同参数实际上会得到传感表现完全不同的传感器。本发明传感器包层小空气孔的直径固定为相邻小空气孔间距的0.6倍，即直径为1.2μm，半径为0.6μm。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (2)

1.一种检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤包层和纤芯，其特征在于：光子晶体光纤包层由均匀排列的小空气孔构成，小空气孔呈六边形排列，省略的小空气孔的位置作为纤芯，两个纤芯布置在小空气孔阵列的中间位置，所述两个纤芯关于光子晶体光纤的几何中心对称，所述两个纤芯水平方向上间距为6μm，在小空气孔阵列中设置有六个大空气孔，六个大空气孔均与纤芯的第一层小空气孔包络线相切，其中两个大空气孔与两个纤芯的第一层小空气孔的包络线均相切，另四个大空气孔中的两个只与一个纤芯的第一层小空气孔的包络线相切，另外两个只与另一个纤芯的第一层小空气孔的包络线相切，只与一个纤芯的第一层小空气孔的包络线相切的四个大空气孔内壁均镀设有金纳米薄膜；小空气孔相邻气孔间距为2μm，小空气孔半径为0.6μm，大空气孔半径为0.86μm，待测液体填充在六个大空气孔中。
2.根据权利要求1所述的检测高折射率液体的双芯光子晶体光纤传感器，其特征在于：只与一个纤芯的第一层小空气孔包络线相切的四个大空气孔内壁镀40nm的金纳米薄膜。
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