CN108645511A - 一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型紫外光强探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型紫外光强探测器，包括：输入波导、输出波导、参考臂、传感臂、第一波导结构以及第二波导结构；光进入输入波导激发出第一基模光波，第一基模光波经第一波导结构后激发出两束相位相同的第二基模光波，第二基模光波分别经参考臂、传感臂传输至第二波导结构处汇合，汇合后的两束光波在输出波导中发生干涉，然后输出；本发明以折射率传感为原理，建立紫外光强与干涉光谱之间的对应关系，检测外界环境中的紫外光强度，并且本发明的探测器结构简单易于集成实现手持式检测。
Description
技术领域
本发明属于光波导传感领域，特别涉及一种新型波导传感器技术。
背景技术
在进入信息社会的今天，人们对信息的提取、处理和传输的要求更加迫切。传感技术作为一门随着现代化科学技术发展而迅猛发展的科学技术，广泛应用于人类的社会生产和科学研究中，起着越来越重要的作用，成为国民经济和社会发展的一项重要技术。目前，传感技术已经渗透到工业生产、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、海洋探测、宇宙开发等领域。在我们的生活中处处使用着各种各样的传感器，例如空调遥控器使用红外传感器，电冰箱使用了温度传感器，汽车使用了速度、压力、油量、爆震传感器。而且，传感器在基础科学研究和高新技术领域的开发过程中具有重要的应用，尤其在超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等条件下，迫切需要适应各种极限环境的高灵敏度、高可靠性能的传感器。
光学传感器的发展满足了这方面的需求。光学传感器能够抗电磁干扰，灵敏度较高，器件结构设计灵活多样，材料众多。光学传感器在温度、压力、磁场等环境条件变化下，会引起光波参量，如强度、相位、频率、偏振态等的变化。因此近几十年来，光学传感器已经逐渐成为光学、医学、生物、化学、材料学等领域的重点研究对象。根据传感对象的不同，可以将光学传感器分为主要针对温度、速度、应力、加速度等物理参量的光物理学传感器，主要针对液体浓度、气体浓度、离子浓度等化学参量的光化学传感器，主要针对有机大分子含量、蛋白特异性等生物参量的光生物传感器。根据光学传感器的传感机理主要可以分为两类传感器，一类是标记型光生化传感器，这类传感器需要向待检测的液体、气体中添加受激发物质，再通过探测待检测对象的发光强度或光谱特征来分析物质特性。另一类则是免标记型光生化传感器，这类传感器无需向待检测物中引入标记物质，避免了污染或影响待检测物质活性的可能。而且免标记方法省去标定过程，可以实时观察分析待检测物质的特征参量。
紫外光传感器在环境检测、军事、医疗等方面具有重要作用。在环境检测领域，可以使用紫外光传感器对环境污染、气体进行监测。在军事领域，可以用来对飞行目标尾焰中的紫外辐射进行检测，弥补雷达探测的疏漏。在医疗领域，波长在320nm-400nm的紫外光能够穿透大部分透明玻璃。照射到皮肤上容易破坏皮肤的弹性纤维和胶原蛋白纤维，长期照射皮肤会被晒黑。因此，紫外光传感对于人类的生存和发展具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的紫外光探测器多数都是基于电学传感，需要加载电源，在一些特殊场合比如电磁干扰严重的环境下电学传感器无法使用或器件测试误差太大，而传统光学传感手段如紫外或荧光测试所需的设备体积较大；针对以上问题，本发明提出了一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型紫外光强探测器，以折射率传感为原理，具有响应速度快，抗电磁干扰的优点。
本发明采用的技术方案为：一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型紫外光强探测器，包括：输入波导、输出波导、参考臂、传感臂、第一波导结构以及第二波导结构；光进入输入波导激发出第一基模光波，第一基模光波经第一波导结构后激发出两束相位相同的第二基模光波，第二基模光波分别经参考臂、传感臂传输至第二波导结构处汇合，汇合后的两束光波在输出波导中发生干涉，然后输出；
所述传感臂上包层材料为紫外敏感材料。
进一步地，所述紫外光敏感材料的折射率大小随紫外光照射时间成正比。
更进一步地，所述紫外敏感材料为：由聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的共聚物PMMA-PS与对紫外光敏感的有机小分子材料组成的混合物。
进一步地，所述参考臂、传感臂为单模波导。
进一步地，所述第一波导结构为：多模干涉仪或双模Y分支干涉仪或定向耦合器。
进一步地，所述第二波导结构为：单模Y分支干涉仪。
本发明的有益效果：本发明的一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型紫外光强探测器，结合敏感材料的紫外光敏特性和马赫曾德尔干涉仪干涉原理，通过改变第一光波导结构的参数，实现对输入参考臂与传感臂的光功率进行调节，通过紫外光照射紫外敏感材料后使传感臂的相位发生相对变化，在输出波导中的干涉光谱则发生变化，若来自干涉仪两臂的两束光波相位相同，则输出波导中的基模干涉相长；若来自干涉仪两臂的两束光波相位相差π，则输出波导中的基模干涉相消；从而建立紫外光强与干涉光谱之间的对应关系，检测外界环境中的紫外光强度，并且器件结构简单易于集成实现手持式检测。
附图说明
图1本发明探测器的基本结构图；
图2为紫外光强是18.9μW/cm2时得到的干涉谱；
图3为紫外光强是75.2μW/cm2时得到的干涉谱。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
图1所示为本发明的一种马赫曾德尔干涉仪结构的聚合物波导紫外光探测器的基本结构图，包括：输入波导、输出波导、参考臂、传感臂、第一波导结构以及第二波导结构；
本发明探测器中的参考臂、传感臂为单模波导，两臂中传输的光波在输出波导中发生干涉；
输入端的第一波导结构可以是多模干涉仪，双模Y分支干涉仪，定向耦合器结构，通过改变输入端第一波导结构的参数，实现光波在干涉仪两臂的光强的调节，使进入传感臂和参考臂的光强有所不同，结合参考臂、传感臂两臂的传输损耗使输出端参考臂、传感臂两臂的光强尽量接近，从而增强输出端参考臂、传感臂两臂的干涉效果。
以下的输入端第一波导以双模Y分支波导为例对本发明的原理进行说明：
传感器采用宽带光源(C+L波段)工作，光经输入波导激发出第一基模光波，第一基模光波进入双模Y分支波导后激发产生基模和一阶模并在双模Y分支波导内发生干涉，经过双模Y分支波导后按一定比例分成两束光进入参考臂、传感臂中传输；双模Y分支波导的分光比例是根据两臂长度以及测量参考臂、传感臂的传输损耗来确定；经过两臂的光束最后合成一束实现干涉并从输出波导输出；若未受到紫外光(波长360nm)照射，则两臂中传输的两束光的相位差保持不变；当器件受到紫外光照射后，紫外敏感材料的折射率发生改变，传感臂中基模有效折射率发生改变，两臂中传输的两束光干涉时相位差发生改变，因此经过紫外光照射后，传感器的干涉光谱相对未受紫外光照射的传感器干涉谱发生变化。如果器件受到紫外光照射的时间恒定，不同光强的紫外光照射器件产生的干涉谱移动不同，光强越大，干涉谱移动量越大，反之光强越小，干涉谱移动量越小；因此，根据干涉谱的移动量可以确定紫外光光强；如果器件受到紫外光照射的光强恒定，器件受到紫外光照射时间越长，干涉谱移动就越大；反之时间越短，干涉谱移动量就越小。
本发明探测器结果中除传感臂以外，其他部分波导的上包层材料均相同。本发明中传感臂的上包层材料为：一种紫外敏感材料，这种紫外敏感材料由一种聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的共聚物PMMA-PS与一种对紫外光敏感的有机小分子材料混合而成，对紫外光敏感的有机小分子材料占重比越大，对紫外光的敏感特性越高，即同一紫外光强、同一时间照射后，紫外敏感材料的折射率变化越大，器件干涉谱移动越明显；紫外敏感材料被紫外光照射后颜色从无色逐渐变为紫色，照射时间越长，颜色会逐渐加深，且材料本身的折射率也会逐渐增大；紫外光照射紫外敏感材料后使传感臂中传输的第二基模光波的相位发生相对变化，在输出波导中的干涉光谱则发生变化，由此可以建立紫外光强与干涉光谱之间的对应关系，从而检测外界环境中的紫外光强度。
紫外敏感材料的变色机理是：对紫外光敏感的有机小分子材料被紫外光照射后，分子内部的环从打开转变成闭合状态，颜色变紫，其折射率变大；经过加热，又会退回到之前的状态，颜色变成透明无色，折射率减小。分子变化如下：
UV表示紫外光，Heat表示加热。
以C波段1550nm附近的一段波长范围为例，使用两种光强的紫外光照射探测器，在不同时间点观察器件干涉谱相对移动量，图2采用的紫外光强是18.9μW/cm2，图3采用的紫外光强是75.2μW/cm2；由于图3所采用的紫外光强度更高，在每个时间点上，图3的干涉谱移动都比图2明显。
本发明通过马赫曾德尔干涉仪结构实现了对不同光强的紫外光探测，制作出一种新型紫外光探测器，探测速度快，能精确探测低光强的紫外光，可探测光强范围大，具有很好的实际应用价值。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型紫外光强探测器，其特征在于，包括：输入波导、输出波导、参考臂、传感臂、第一波导结构以及第二波导结构；光进入输入波导激发出第一基模光波，第一基模光波经第一波导结构后激发出两束相位相同的第二基模光波，第二基模光波分别经参考臂、传感臂传输至第二波导结构处汇合，汇合后的两束光波在输出波导中发生干涉，然后输出；
所述传感臂上包层材料为紫外敏感材料。
2.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型紫外光强探测器，其特征在于，所述紫外光敏感材料的折射率大小随紫外光照射时间成正比。
3.根据权利要求2所述的一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型紫外光强探测器，其特征在于，所述紫外敏感材料为：由聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的共聚物PMMA-PS与对紫外光敏感的有机小分子材料组成的混合物。
4.根据权利要求3所述的一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型紫外光强探测器，其特征在于，所述参考臂、传感臂为单模波导。
5.根据权利要求4所述的一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型紫外光强探测器，其特征在于，所述第一波导结构为：多模干涉仪或双模Y分支干涉仪或定向耦合器。
6.根据权利要求5所述的一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型紫外光强探测器，其特征在于，所述第二波导结构为：单模Y分支干涉仪。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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