CN111999798A - 一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器 - Google Patents

一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤传感领域，具体的说是一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器。包括包层以及沿包层长度方向分布于包层中的多条圆形空气孔和多条矩形空气孔纤芯；多条圆形空气孔在包层的横截面上形成缺失上下四个角位置和中心位置的正六边形点阵结构；所有矩形空气孔纤芯均分布于正六边形点阵结构的中心位置并填充有乙醇溶液，矩形空气孔纤芯相互平行分布。本发明具有高灵敏度、损耗低且可稳定工作的特点。

Description

一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体的说是一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器。
背景技术
随着无线通信系统在开发和部署方面的空前增长，现社会也越来越依赖于信息的传递和处理。在如今飞速发展的光通信领域，设计结构新颖、功能多样的光子晶体光纤传感器件能够快速、精确的获取和处理信息，已成为了一个非常重要的研究课题。但是现有技术中的光子晶体光线传感器仍存在着灵敏度差，损耗高的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器，高灵敏度、损耗低且可稳定工作。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器，包括包层以及沿包层长度方向分布于包层中的多条圆形空气孔和多条矩形空气孔纤芯；多条圆形空气孔在包层的横截面上形成缺失上下四个角位置和中心位置的正六边形点阵结构，所有圆形空气孔的孔径均为d，任意相邻两个圆形空气孔之间的孔间距均为Λ；所有矩形空气孔纤芯均分布于正六边形点阵结构的中心位置并填充有乙醇溶液，矩形空气孔纤芯相互平行分布，所有矩形空气孔纤芯的宽度均为w，位于中心位置的一条矩形空气孔纤芯的长度最长，位于两侧的矩形空气孔纤芯的长度逐渐变短，且位于两侧矩形空气孔纤芯以位于中心位置的一条矩形空气孔纤芯为中心对称分布。
优选的，圆形空气孔的折射率为1.00；包层的制作材料为聚合物材料TOPAS，且折射率为1.53；矩形空气孔纤芯中所填充的乙醇溶液的折射率为1.354。
优选的，Λ＝390μm，d＝0.90Λ，w＝68μm，频率为1.2THz。
优选的，正六边形点阵结构中包括四层圆形空气孔，最内层具有六个圆形空气孔。
优选的，矩形空气孔纤芯的数量为五个。
有益效果
本发明可以很容易的部署在小面积和任何需要柔性纤维的地方，通过高灵敏度的特性在工业应用中发挥重要的作用，特别是在检测有毒和易燃化学品方面。由于光子晶体光纤的核心与待分析材料可直接相互作用，使得基于光子晶体光纤传感器在衰减场中表现出优异的灵敏度性能。本发明中聚合物材料TOPAS在太赫兹域中具有最低的光纤材料吸收。聚合物材料TOPAS具有光学性能高，耐热性强，易赋予切割性能等优势，适合于用作传统材料的改性用材料。
本发明优选实施方式制造的孔间距Λ＝390μm，包层空气孔直径d＝0.90Λ，纤芯矩形孔宽w＝68μm，填充乙醇溶液的光子晶体光纤传感器在太赫兹波段具有高的相对灵敏度，将在环境与安全监测方面有着重要的应用。
附图说明
图1为本发明的横截面示意图；
图2为本发明中的矩形空气孔纤芯部分的分布示意图；
图3和图4为本发明在优选结构下，x偏振和y偏振方向相对灵敏度与频率之间的关系图；
图5和图6为本发明在优选结构下，x偏振和y偏振方向纤芯功率分数与频率之间的关系图；
图7为本发明在优选结构下，有效限制损耗与频率之间的关系图。
图中标记：1、包层，2、圆形空气孔，3、矩形空气孔纤芯。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器，包括圆形的包层1以及沿包层1长度方向分布于包层1中的多条圆形空气孔2和多条矩形空气孔纤芯3。
包层1的制作材料为聚合物材料TOPAS，且折射率为1.53。
多条圆形空气孔2在包层1的横截面上形成缺失上下四个角位置和中心位置的正六边形点阵结构，共包括四层圆形空气孔2，最内层具有六个圆形空气孔2。圆形空气孔2的折射率为1.00，圆形空气孔2的孔径均为d，任意相邻两个圆形空气孔2之间的孔间距均为Λ，相对孔间距为d/Λ。在本发明的优选实施例中，Λ＝390μm，d＝0.90Λ。
结合图2所示，矩形空气孔纤芯3的数量为五条。五条矩形空气孔纤芯3分别沿竖向分布于正六边形点阵结构的中心位置，并在矩形空气孔纤芯3中填充有折射率为1.354的乙醇溶液。5条矩形空气孔纤芯3的长度从左至右分别为L1,L2,L3,L2,L1，宽度均为w，且w＝68μm。位于中心位置的一条矩形空气孔纤芯3的长度最长，位于两侧的矩形空气孔纤芯3的长度逐渐变短，且位于两侧矩形空气孔纤芯3以位于中心位置的一条矩形空气孔纤芯3为中心对称分布。
图2和图3表示在本优选实施例中，x偏振和y偏振方向相对灵敏度与频率之间的关系。在图2和图3可以看出，x、y两个偏振方向的相对灵敏度随着频率的改变有着明显的变化。这是因为随着矩形空气孔纤芯3宽w的增大，矩形空气孔内的分析物乙醇含量也会随之增加，从而增加了光与物质的相互作用，进而导致其相对灵敏度的增大，其x、y偏振方向的相对灵敏度在1.2THz，达到最大值。
图4和图5表示在本优选实施例中，x偏振和y偏振方向的纤芯功率分数与频率之间的关系。从图4和图5可以看出，x偏振和y偏振方向的纤芯功率分数随着频率的改变有着明显的变化，纤芯功率分数随着频率的增加，先增大后减小，其x、y偏振方向的纤芯功率分数在1.2THz，达到最大值。
图6示出了本优选实施例中的限制损耗与频率的关系。从图6可以看出，本发明的乙醇填充的太赫兹波段光子晶体光纤传感器具有非常低的限制损耗，非常容易的将光场束缚在高折射率纤芯区域，进而降低了有效限制损耗。

Claims (5)

1.一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器，其特征在于：包括包层(1)以及沿包层(1)长度方向分布于包层(1)中的多条圆形空气孔(2)和多条矩形空气孔纤芯(3)；多条圆形空气孔(2)在包层(1)的横截面上形成缺失上下四个角位置和中心位置的正六边形点阵结构，所有圆形空气孔(2)的孔径均为d，任意相邻两个圆形空气孔(2)之间的孔间距均为Λ；所有矩形空气孔纤芯(3)均分布于正六边形点阵结构的中心位置并填充有乙醇溶液，矩形空气孔纤芯(3)相互平行分布，所有矩形空气孔纤芯(3)的宽度均为w，位于中心位置的一条矩形空气孔纤芯(3)的长度最长，位于两侧的矩形空气孔纤芯(3)的长度逐渐变短，且位于两侧矩形空气孔纤芯(3)以位于中心位置的一条矩形空气孔纤芯(3)为中心对称分布。
2.根据权利要求1所述的一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器，其特征在于：圆形空气孔(2)的折射率为1.00；包层(1)的制作材料为聚合物材料TOPAS，且折射率为1.53；矩形空气孔纤芯(3)中所填充的乙醇溶液的折射率为1.354。
3.根据权利要求2所述的一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器，其特征在于：Λ＝390μm，d＝0.90Λ，w＝68μm，频率为1.2THz。
4.根据权利要求2所述的一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器，其特征在于：正六边形点阵结构中包括四层圆形空气孔(2)，最内层具有六个圆形空气孔(2)。
5.根据权利要求4所述的一种填充乙醇液体的高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器，其特征在于：矩形空气孔纤芯(3)的数量为五个。
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