CN108982423B - 一种高灵敏度光子晶体光纤传感器 - Google Patents

一种高灵敏度光子晶体光纤传感器 Download PDF

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Abstract

一种高灵敏度光子晶体光纤传感器，包括设置有光子晶体光纤包层和纤芯的基底材料，基底材料形状为圆形，在基底材料上设置开放的凹槽，凹槽的弧面为勒洛三角形体的一个弧面，光子晶体光纤包层由两个小空气孔和两个截面为扇形的大空气孔构成，两个大空气孔两侧扇面所在曲线分别为勒洛三角形和圆形的一部分，两个大空气孔内扇面所在的弧线和凹槽底部弧面所在弧形分别是勒洛三角形的三个弧，相邻大空气孔之间，大空气孔与凹槽之间为桥臂，桥臂与勒洛三角形体相连接，小空气孔由桥臂小空气孔和包层小空气孔构成，桥臂上设置桥臂小空气孔，勒洛三角形体内设置包层小空气孔，在勒洛三角形体中心位置设置低折射率液孔，凹槽底部弧面上设置金纳米薄膜。

Description

一种高灵敏度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，特别是涉及高灵敏度传感检测技术领域。
背景技术
表面等离子体共振（SPR）技术因其独特的优势一直吸引相关领域的研究人员的兴趣，基于SPR的光纤传感技术作为SPR技术的应用之一，也一直在探索与改进。普通光纤经过抛磨以后存在变脆易损坏，抛磨工艺复杂和相位匹配困难等缺点，这些缺点在光子晶体光纤出现以后得到解决。光子晶体光纤倏逝波传感技术可分为光子晶体光纤倏逝波吸收型传感技术，光子晶体光纤倏逝波激发荧光标记传感技术和光子晶体光纤倏逝波激发表面等离子体共振传感技术。而基于表面等离子体共振技术的光子晶体光纤传感器具有免标记，小型化，可实时在线检测的优势而广受关注，具有广阔的市场应用前景。
光子晶体光纤传感器自身的几何结构对其传感表现具有很大影响，因此许多工作者设计出不同结构的光子晶体光纤传感器以适应不同的传感要求。单就折射率引导型光子晶体光纤传感器的结构而言，大微流体通道结构，葡萄柚形结构，椭圆空气孔形结构，悬芯结构等都有较多研究，应用于传感装置其表现各有优点，新型结构的光纤传感器种类越多则意味着市场需求中会有更多选择。
早期的光子晶体光纤传感器采用在空气孔内壁镀金属纳米薄膜后填充待测液体，但由于空气孔较小，通常直径在几微米到几十微米，在小空气孔中镀金属膜比较困难，填充待测液体在操作过程中也较为复杂，克服这种困难需要改变空气孔内镀膜这一传统方式。近年来D形光子晶体光纤传感器的确可以简化操作流程，但是打磨深度对传感器的波长灵敏度影响极大，对抛磨精度的要求较高。因此均不利于光纤传感器的加工和应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高灵敏度光子晶体光纤传感器。该光纤为全新设计的具有勒洛三角形结构的三桥段式光子晶体光纤，抛磨一个大空气孔后形成开放的凹槽，凹槽靠近纤芯部分镀金纳米薄膜，待测液体置于凹槽内部而无需通入封闭的空气孔，解决了小尺寸空气孔镀膜困难和待测液体填充困难的问题。纤芯中心孔内封装低折射率液体构成液芯，该设置可降低光子晶体光纤的有效折射率，减小对光场能量的限制使得更多的能量从纤芯泄露到金纳米薄膜与待测液体的交界面，从而提高了传感器的波长灵敏度，每个桥臂有两个小空气孔，其作用是辅助限制纤芯的能量，保证光场被限制在纤芯中传输。该发明适用于待测液体折射率不高但对灵敏度要求高的传感检测。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种高灵敏度光子晶体光纤传感器，包括基底材料，在基底材料上设置有光子晶体光纤包层和纤芯，基底材料形状为圆形且在圆形基底材料上设置有开放的凹槽，该凹槽由光子晶体光纤一个经过抛磨的大空气孔构成，凹槽的槽底弧面形状为勒洛三角形体的一个弧面，光子晶体光纤包层由两个大空气孔和小空气孔构成，两个大空气孔的截面为扇形，两个大空气孔的两侧扇面所在的曲线分别为勒洛三角形和圆形的一部分，两个大空气孔的内扇面所在的弧线和凹槽底部弧面所在的弧形分别是勒洛三角形的三个弧，相邻大空气孔之间，大空气孔与凹槽之间为桥臂，桥臂与勒洛三角形体相连接，桥臂上设置有桥臂小空气孔，勒洛三角形体内设置有包层小空气孔，小空气孔由桥臂小空气孔和包层小空气孔构成，且在勒洛三角形体中心位置设置有低折射率液孔，低折射率液孔及其邻域构成光子晶体光纤纤芯，凹槽底部弧面上设置有金纳米薄膜。
上述高灵敏度光子晶体光纤传感器，所述勒洛三角形的弧半径为6.6μm。
上述高灵敏度光子晶体光纤传感器，光纤外圆半径为10μm。
上述高灵敏度光子晶体光纤传感器，大空气孔外扇面到低折射率液孔中心的距离为8μm。
上述高灵敏度光子晶体光纤传感器，所述桥臂上设两个小空气孔，两个小空气孔间距为3.464μm。
上述高灵敏度光子晶体光纤传感器，勒洛三角形结构内的相邻两个小空气孔之间的间距为2μm。
上述高灵敏度光子晶体光纤传感器，所述桥臂小空气孔和包层小空气孔的半径均为0.6μm。
上述高灵敏度光子晶体光纤传感器，所述桥臂厚度为1.6μm。
上述高灵敏度光子晶体光纤传感器，所述低折射率液孔半径为0.6μm，折射率为1.40。
上述高灵敏度光子晶体光纤传感器，金纳米薄膜厚度为40nm。
相对于现有技术，本发明有以下优点：
该光纤传感器操作简单。所设计的光子晶体光纤为开放纤芯结构，无需将待测液体通入空气孔，只需置于凹槽即可完成待测液填充工作，解决了小直径空气孔镀膜困难和待测液体填充困难的问题。
传感器的波长灵敏度高。最大波长灵敏度为10200nm/RIU，分辨率为9.8×10-6RIU，折射率检测范围为1.33到1.39，适用于待测液体折射率不高但对灵敏度要求高的传感检测。
附图说明
图1为高灵敏度光子晶体光纤传感器截面示意图。
图2为勒洛三角形结构各组成部分在直角坐标系下的位置。
图3为待测液体折射率为1.33-1.39时光纤传感器的损耗谱。
图4为折射率-共振波长关系图和波长-灵敏度关系图。
图中：1.基底材料 2.大空气孔 3.凹槽 4.金纳米薄膜 5.低折射率液孔 6.包层小空气孔 7. 桥臂小空气孔。
具体实施方式
如图1和图2所示的一种高灵敏度光子晶体光纤传感器，包括基底材料1，在基底材料上设置有光子晶体光纤包层和纤芯，基底材料为二氧化硅，形状为圆形且在圆形基底材料上设置有开放的凹槽3，开放的凹槽是由光子晶体光纤一个经过抛磨的大空气孔构成，凹槽槽底的弧面形状为勒洛三角形体的一个弧面，光子晶体光纤包层由两个大空气孔2和小空气孔6,7构成，两个大空气孔的截面为扇形，两个大空气孔的两侧扇面所在的曲线分别为勒洛三角形和圆形的一部分，两个大空气孔的内扇面所在的弧线和凹槽底部弧面所在的弧形分别是勒洛三角形的三个弧，相邻大空气孔之间，大空气孔与凹槽之间为桥臂，桥臂与勒洛三角形体相连接，桥臂上设置有桥臂小空气孔6，勒洛三角形体上设置有六个包层小空气孔7，小空气孔由桥臂小空气孔和包层小空气孔构成，且在勒洛三角形体中心位置设置有低折射率液孔5，低折射率液孔及其邻域构成光子晶体光纤纤芯，如图1中虚线部分所示，凹槽底部弧面上设置有镀金纳米薄膜3。
本发明光纤外圆半径为10μm，即光子晶体光纤半径为10μm。本发明勒洛三角形的弧半径为6.6μm。大空气孔外扇面到低折射率液孔中心的距离为8μm。桥臂上设两个桥臂小空气孔，两个桥臂小空气孔间距为3.464μm。勒洛三角形结构内的相邻两个包层小空气孔之间的间距为2μm，桥臂小空气孔和包层小空气孔的半径均为0.6μm。所述桥臂厚度为1.6μm。所述低折射率液孔半径为0.6μm，折射率为1.40。金纳米薄膜厚度为40nm。
待测液体置于凹槽， 通过检测光谱的损耗峰位置可以实现对待测液体的折射率检测。
本发明纤芯中心低折射率液孔内封装折射率为1.40的液体，如按一定比例配置的甘油和水的混合液体构成液芯。采用连续宽带光源作为入射光源，光子晶体光纤自身的结构可以将入射光主要限制在液芯内，而部分能量转移到金纳米薄膜与待测液体交界面，发生表面等离子体共振。输出的检测光谱上可以观察到吸收峰。如图3所示，损耗峰随折射率的不同相应地发生移动，从而实现对待测液体折射率的检测。将折射率-共振波长关系绘制为图4灰色折射段，可以看出，随着折射率的增加共振波长也增加，即共振峰随折射率的增加而发生红移。同时，曲线斜率也随折射率的增加而增加。由波长灵敏度的定义，如图4黑色折线段所示，折射率增加灵敏度也增加。在本实施例中，折射率从1.38变化到1.39时，共振峰移动了102nm，故该高灵敏度光子晶体光纤传感器的最大波长灵敏度为。若光谱仪的分辨率为0.1nm，所述光子晶体光纤传感器的分辨率为9.8×10-6 RIU，可见该传感器具有极高的波长灵敏度和良好的分辨率。
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 (10)

1.一种高灵敏度光子晶体光纤传感器，包括基底材料，在基底材料上设置有光子晶体光纤包层和纤芯，其特征在于：基底材料形状为圆形且在圆形基底材料上设置有开放的凹槽，开放的凹槽的槽底弧面形状为勒洛三角形体的一个弧面，光子晶体光纤包层由两个大空气孔和所有小空气孔构成，两个大空气孔的截面为扇形，两个大空气孔的两侧扇面所在的曲线分别为勒洛三角形和圆形的一部分，两个大空气孔的内扇面所在的弧线和凹槽底部弧面所在的弧形分别是勒洛三角形的三个弧，相邻大空气孔之间，大空气孔与凹槽之间为桥臂，桥臂与勒洛三角形体相连接，桥臂上设置有桥臂小空气孔，勒洛三角形体内设置有包层小空气孔，小空气孔由桥臂小空气孔和包层小空气孔构成，且在勒洛三角形体中心位置设置有低折射率液孔，低折射率液孔及其邻域构成光子晶体光纤纤芯，凹槽底部弧面上设置有金纳米薄膜。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述勒洛三角形的弧半径为6.6μm。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度光子晶体光纤传感器，其特征在于：光纤外圆半径为10μm。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度光子晶体光纤传感器，其特征在于：大空气孔外扇面到低折射率液孔中心的距离为8μm。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述桥臂上设两个小空气孔，两个小空气孔间距为3.464μm。
6.根据权利要求1所述的高灵敏度光子晶体光纤传感器，其特征在于：勒洛三角形结构内的相邻两个小空气孔之间的间距为2μm。
7.根据权利要求1所述的高灵敏度光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述桥臂小空气孔和包层小空气孔的半径均为0.6μm。
8.根据权利要求1所述的高灵敏度光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述桥臂厚度为1.6μm。
9.根据权利要求1所述的高灵敏度光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述低折射率液孔半径为0.6μm，折射率为1.40。
10.根据权利要求1所述的高灵敏度光子晶体光纤传感器，其特征在于：金纳米薄膜厚度为40nm。
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