CN110501308A - 太赫兹微结构双芯光纤超灵敏微流体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏微流体传感器。器件采用双芯光子晶体光纤设计，由包层、左右两纤芯和涂覆层组成。光纤基底材料采用环烯烃类聚合物（TOPAS）；包层为三角晶格排列，具有六方对称性的圆形空气孔阵列；左芯采用等差分层微结构，用于增大左芯的模式双折射，同时改变基模色散曲线的斜率；右芯由圆形空气孔内填充待测量液体形成。理论研究表明，在0.5‑1.5THz频率范围内，光纤都能够实现精确的折射率传感，器件可检测折射率变化范围为0.019。在1THz，器件的折射率灵敏度达到51.22THz/RIU，优于以往研究结果。本发明利用太赫兹波的宽带特性和双芯光纤基模的交点耦合效应，构建了一个宽带、超灵敏的微流体折射率传感器。在对于传感和测量有高精度要求的生物、化学、医药等领域有非常广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感和测量领域，具体涉及一种基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏折射率传感器。
背景技术
光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）又被称为多孔光纤（HoleyFiber, HF），或微结构光纤（Microstructure Fiber, MSF）。P.S.J.Russell等人于1991年首次提出光子晶体光纤的概念，从此掀开了光纤发展史中崭新的一页。J.C.Knight等人于1996年首次成功制备了光子晶体光纤，这是世界上第一根折射率引导型光子晶体光纤。1998年，第一根基于光子带隙原理的光子晶体光纤被拉制成功。从此，对PCF的研究就从未间断，热度不断攀升。目前，对光子晶体光纤波导及器件的研究已经渗透到各个领域，并已有大量商业化的产品。根据实际应用需求，人们不断设计出各种结构新颖的光子晶体光纤，包括高双折射PCF、单模单偏振PCF、多包层结构、多芯耦合结构、微结构纤芯PCF以及填充式PCF等等。目前的研究热点，主要体现在对新材料，新结构以及新功能的研究。
随着太赫兹技术的不断发展，人们很快把光子晶体光纤的概念应用到太赫兹波段。2002年，Han等人采用高密度聚乙烯材料的管和棒推挤成光子晶体光纤，对其进行实验测定，发现在0.1-3THz频率范围内，该光纤具有较低的损耗和色散。随后，Masahiro等人报道了采用聚四氟乙烯材料制作的太赫兹保偏光纤，其损耗系数较低、且易于制备。Gong等人对太赫兹空芯光子晶体光纤进行了研究，发现其具有很宽的光子带隙。2009年，Nielsen等人报道了一种由聚合物材料Topas（环烯烃共聚物）制作的低损耗太赫兹光子晶体光纤。Topas是一种柔软的聚合物材料，在太赫兹波段具有低损耗，且易于弯曲等优点。这种光纤在很宽的频率范围内都能够实现单模运转，且具有极低的损耗和材料色散。
在太赫兹领域，应用基于光子晶体光纤的功能器件，能够实现线上操作，降低连接损耗，从而使太赫兹系统向柔性、小型化和轻便的方向发展。基于光子晶体光纤的太赫兹调制器、滤波器、光开关、定向耦合器、光纤传感器等器件，在太赫兹领域有着广泛的应用潜力。
发明内容
本发明针对以往微流体光纤传感器在带宽、灵敏度等方面的局限，基于双芯光子晶体光纤的匹配耦合效应，提出了一种太赫兹宽带超灵敏微流体传感器。
所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，由包层、左右两个纤芯和涂覆层组成。其中左芯为输入端口，右芯为输出端口。光纤横截面结构为聚合物材料内设若干空气孔，其中包层由三角晶格排列、大小一致的圆形空气孔组成。左芯由大小不一致的椭圆空气孔组成。纤芯微结构的占空比（空气孔面积/材料面积）小于包层，因此本发明所述光纤为折射率引导型光子晶体光纤。
所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，为提高器件的折射率灵敏度，在光纤左芯引入满足等差分层条件的亚波长椭圆微空气孔。右芯内填充待测量微流体。左芯非对称微结构用于形成高模式双折射，从而更好的匹配输入端THz波的线偏振特性。
等差分层设计，即在光纤横截面上，纤芯微结构分为多层，微结构基本单元为椭圆，中心椭圆的短半轴为r，每向外一层，椭圆的短半轴尺寸增大固定长度∆r。
所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，左芯微结构设计的目的是为引入高模式双折射，因此纤芯微结构也可设计为其他非对称结构，如矩形孔、圆孔四方晶格阵列、圆孔对阵列、类领结结构等。
所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，当右芯中填充某一特定折射率的微流体，由于两芯色散曲线的斜率不同，两芯基模Y偏振模式的色散曲线仅有一个交点。在交点处，两芯Y偏振将会发生强烈耦合。左芯中只有某一特定频率的太赫兹波会耦合到右芯。也就是说，在工作频率范围内，右芯某一折射率的微流体，仅能匹配左芯某一特定频率的太赫兹波。通过在右芯输出端口测量太赫兹波的频率，即可精确求得微流体的折射率。同时，由于入射太赫兹波具有宽带特性，因此本发明所述微流体传感器也具有宽带特性。
所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，可选基底材料包括但不限于以下聚合物材料：PP（聚丙烯），HDPE（高密度聚乙烯），ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）,PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）,TOPAS（环烯烃类聚合物）。
作为优选，光纤包层采用三角晶格排列的圆形空气孔设计。
作为优选，左芯微结构基本单元设计为椭圆。
作为优选，左芯微结构为三角晶格排列。
作为优选，光纤基底材料选择Topas。
本发明具备以下优点：1. 模式耦合仅发生在两芯色散曲线交点处，因此该传感器能够对微流体折射率的微小变化进行精确检测；2. 由于入射太赫兹波具有宽带特性，因此本发明所述微流体传感器同样具有宽带特性；3. 由于左芯采用等差分层微结构设计，有效增大了模式双折射，从而更好的匹配输入端THz波的线偏振特性；4.随着3D打印技术的广泛应用，基于复杂微结构纤芯的各种光纤器件将更容易被制造。因此，所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，在对于传感和测量有高精度要求的生物、化学、医药等领域有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1是基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器100的实例示意图：该器件由涂覆层12、包层11、左芯13和右芯14组成。其中左芯13为输入端口，右芯14为输出端口。
图2是太赫兹超灵敏微流体传感器横截面示意图。
图3是太赫兹超灵敏微流体传感器左芯微结构横截面示意图。
图4是当右芯微流体不同的折射率变化，对应两芯基模Y偏振模式的色散曲线。
图5是色散曲线局部放大，交点在1THz两芯的色散曲线，对应液体折射率为1.37108。
图6是当微流体折射率n=1.37108，入射太赫兹波频率为0.99THz， 1THz和1.01THz时两芯基模Y偏振模式的模场分布。
图7是右芯输出端口处太赫兹波频率与待测微流体折射率的关系。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。
实例：基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏折射率传感器100，其基本结构由涂覆层12、包层11、左芯13和右芯14组成，其中左芯13为输入端口，右芯14为输出端口。
包层由三角晶格排列的圆形空气孔21组成，空气孔的直径D=420，晶格常数L=450 。
左芯微结构采用等差分层设计，由三角晶格排列的椭圆空气孔13组成，晶格常数l=40 ，椭圆长半轴和短半轴为a和b，a:b=3:1。设b=r，则a=3r。中心微结构椭圆30短轴长度为3 ，第一层微结构31椭圆短轴长度为4，第二层微结构32椭圆短轴长度为5 ，第三层微结构33椭圆短轴长度为6,，第四层微结构34椭圆短轴长度为7，第五层微结构35椭圆短轴长度为8。
在右芯中引入特定折射率的微流体，由于两芯色散曲线的斜率不同，两芯基模Y偏振模式的色散曲线仅有一个交点。在交点处，左芯中只有某一特定频率的太赫兹波会耦合到右芯。也就是说，在工作频率范围内，右芯某一折射率的微流体，仅能匹配左芯某一特定频率的太赫兹波。通过在右芯输出端口测量太赫兹波的频率，即可精确求得微流体的折射率。同时，由于入射太赫兹波具有宽带特性，因此本发明所述微流体传感器也具有宽带特性。该器件的工作带宽为0.5-1.5THz，测得折射率范围为1.36149- 1.380665。在1THz附近，器件的灵敏度为51.22THz/RIU。
在本实例中光纤基底材料22选择环烯烃类聚合物TOPAS，TOPAS在太赫兹波段具有相对恒定的折射率1.53。
光纤制造可以采用两种方式。太赫兹光纤器件微结构尺寸较大，因此可以采用以聚合物为基材的3D打印方式来进行光纤的制作。也可以采用传统光纤拉制方法：用形状相同，但空心尺寸不同的聚合物波导管，分层密堆积的方式来制作光纤的预制棒，拉制后也能得到类似的微结构。
Claims (6)
1.一种基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏折射率传感器，其基本结构由涂覆层、包层和左右两纤芯组成，其中左芯为输入端口，右芯为输出端口，光纤横截面结构为在基底材料中设计若干空气孔，其中包层由大小一致的圆形空气孔组成，在左芯中设计满足等差分层条件的亚波长微空气孔阵列，右芯内填充待测微流体。
2.根据权利要求 1 所述太赫兹双芯光纤传感器，其特征在于，光纤为双芯折射率引导型光子晶体光纤。
3.根据权利要求 1 所述太赫兹双芯光纤传感器，其特征在于，光纤包层为三角晶格排列，具有六方对称性的圆形空气孔，晶格常数可以设置为450。
4.根据权利要求 1 所述太赫兹双芯光纤传感器，其特征在于，左芯微结构为三角晶格排列、满足等差分层条件的椭圆空气孔，晶格常数可以设置为40。
5.根据权利要求 1 所述太赫兹双芯光纤传感器，左芯微结构采用等差分层设计，即在光纤横截面上，纤芯微结构分为多层，微结构基本单元为椭圆，椭圆长半轴a与短半轴b之比为3：1，中心椭圆的短半轴为r，每向外一层，椭圆的短半轴尺寸增大固定长度r。
6.根据权利要求 1 所述太赫兹双芯光纤传感器，可选基底材料包括但不限于PP（聚丙烯），HDPE（高密度聚乙烯），ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）,PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）,TOPAS（环烯烃类聚合物）等材料，优选TOPAS。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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