CN216870370U - 一种基于双层空气孔排布的d型光子晶体光纤传感装置 - Google Patents
一种基于双层空气孔排布的d型光子晶体光纤传感装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明专利提供了一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置，它包括光源、单模光纤、传感单元、光谱分析仪、光电转化器、信号处理模块和计算机。利用表面等离子体共振原理，通过一个特殊结构的光子晶体光纤的共振峰的变化来检测，结果在计算机中显示。本发明由灵敏度公式来计算波长灵敏度，提出的新的传感装置基于D型光子晶体光纤，具有灵敏度高、设计灵活、结构紧凑、稳定性强等优点，在生化分析物检测、水污染监控等实际使用的中具有更高的价值。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置。
背景技术
表面等离子体共振(SPR)存在于金属和介质(或空气)之间，利用全反射倏逝波激发表面等离子体极化激元(SPP)；SPR传感技术因其灵敏度高、无背景干扰、样品无标签、无需进一步纯化、实时快速检测等特点，已经成为监测分析物的折射率、过滤特定频率的光和检测纳米生物膜的形成的多功能工具。近年来，SPR传感器的概念已被提出。光子晶体光纤的特点是其设计的灵活性，因此可以通过不同的气孔布置来定制色散、双折射、非线性等。这些方面使得光子晶体光纤在许多领域特别引人注目，并在基于气体的非线性光学、原子和粒子制导、超高非线性、掺稀土激光和传感等领域有广泛的应用。PCF-SPR传感器可以实现等离子体模式和基模模式的完美匹配，因为基模的有效折射率可以设计为零到核心材料的折射率之间，在折射率检测方面具有很高的灵敏度和分辨率。克服了基于棱镜和传统光纤的SPR传感器体积大、传输损耗高、灵敏度低的缺点。目前PCF-SPR传感器的结构很多。
实用新型内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提出一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置，并提出一种新的分析物状态(折射率)判定方法与稳定的灵敏度计算方法。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
技术方案：一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置，其特征在于：由光源(1)、单模光纤(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、光电转化器(5)、信号处理模块(6)和计算机(7)组成；
进一步地，所述传感单元(3)为光子晶体光纤(3-1)；由9个第一圆形空气孔(3-2)、6个第二圆形空气孔(3-3)、银膜(3-4)、石墨烯层(3-5)和分析液(3-6)构成；其特征在于：光子晶体光纤(3-1)经表面抛光技术制作成D型，第一圆形空气孔(3-2)、第二圆形空气孔(3-3)、都关于光纤y轴对称排列；银膜(3-4)在光子晶体光纤(3-1)与石墨烯层(3-5)的交界处；分析液(3-6)用来添加各种待测液；
进一步地，所述的传感单元(3)，其特征在于：光子晶体光纤(3-1)内第一圆形空气孔(3-2)和第二圆形空气孔(3-3)的间距Λ为1.2μm，光子晶体光纤(3-1)的直径为6.2μm，第一圆形空气孔(3-2)直径为1.0μm，第二圆形空气孔(3-3)的直径为1.1μm，银膜(3-4)的厚度为20nm；光子晶体光纤(3-1)的基底材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义；
其中λ是光波的波长，参数a1＝0.6961663，a2＝0.4079426，a3＝0.8974794，b1＝0.0684043um，b2＝0.1162414um，b3＝9.896161um，因此可以计算PCF传输模式的色散；
进一步地，银膜(3-4)利用射频磁控溅射方法涂覆；采用堆叠-拉丝技术制备光子晶体光纤(3-1)，光子晶体光纤(3-1)的长度为20mm；
进一步地，所述分析液(3-6)为待测液，待测液浓度的变化会改变待测液的折射率，从而影响共振峰的偏移量，达到参量测量的目的；
进一步地，所述的一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置，其特征在于：光源(1)发射光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，传感单元(3)输出至光谱分析仪(4)与光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出到信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示；
进一步地，所述光源(1)输出1000-1600nm波段的光信号；
进一步地，所述的光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，其特征在于：银膜(3-4)表面激发的等离子体波波矢与入射光场的波矢在特定的波长范围内达到相位匹配，发生共振耦合，出现一个共振损耗峰；表面等离子体共振(SPR)对介质环境十分敏感，分析液(3-6)折射率na变化会使共振条件发生变化，导致在不同的折射率条件下共振损耗峰发生明显变化，可以实现高灵敏度、实时性探测；
进一步地，所述的一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置，其特征在于：由光源(1)发出光信号，经单模光纤(2)传输至传感单元(3)，当分析液(3-6)折射率改变时，光子晶体光纤(3-1)等离子体共振现象的条件发生改变，耦合模式发生变化，在光谱分析仪(4)中显示的不同折射率下的峰值会发生红移或蓝移，当分析液(3-6)的折射率增大时，峰值出现红移；经灵敏度公式计算灵敏度。
所述灵敏度公式为：
s＝Δλpeak/Δna (2)
式中Δna为折射率的变化量，Δλpeak为不同折射率状态下的两个峰的峰值的差值。传感单元(3)将携带Δλpeak数值的光信号传输至光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出至信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示分析液(3-6)的信息；
结构发明：一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置。
与已公开技术相比，本发明专利的有益效果是：
1.本发明所述的一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置结构特殊，极大地增加了双折射特性以及色散特性，有利于偏振态的保持，可广泛应用于偏振控制、精密光纤传感等领域。
2.本发明所述的一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置拥有45000nm/RIU的超高灵敏度，通过本发明所提出的灵敏度公式计算所得，解决了传统PCF-SPR传感器灵敏度测量精度差，实际测试效果差的问题，增加了测量系统的稳定性。
3.本发明所述的一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置工作波长位于近红外波段，可忽略外界环境光对传感器的干扰。
4.本发明所述的一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置，采用表面涂敷银作为SPR激发材料，相比于传统空气孔内插入银纳米线的制作工艺简单，可广泛应用于样品检测，如生命科学研究、生物化学、环境监测等领域。
附图说明
图1为本发明提供一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置的流程图。
图2为本发明提供一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置的传感单元横截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置的具体实施方式加以说明。
如图1所示，本发明提供一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置的流程图，光源(1)发射光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，当光传输至银膜(3-4)，由于分析液(3-6)的折射率改变，光在银膜(3-4)处发生表面等离子体基元现象，出现约束损耗峰。传感单元(3)输出至光谱分析仪(4)与光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出到信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示；
如图2所示，为本发明提供一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置的传感单元横截面图，传感单元(3)为光子晶体光纤(3-1)；由9个第一圆形空气孔(3-2)、6个第二圆形空气孔(3-3)、银膜(3-4)、石墨烯层(3-5)和分析液(3-6)构成；其特征在于：光子晶体光纤(3-1)经表面抛光技术制作成D型，第一圆形空气孔(3-2)、第二圆形空气孔(3-3)、都关于光纤y轴对称排列；银膜(3-4)在光子晶体光纤(3-1)与石墨烯层(3-5)的交界处；分析液(3-6)用来添加各种待测液；空气孔影响模式性质，可以把光控制在纤芯内，当光信号传输至光子晶体光纤(3-1)，银膜(3-4)的存在导致表面等离子共振现象的发生，从而实现高灵敏度检测；
具体实施方法一：
近红外波段耦合光子晶体光纤折射率传感方法及测量系统对分析液的检测；传感单元放入分析液中，分析物性质(浓度和温度等)的变化影响分析物的折射率，从而影响传感单元的折射率，基于表面等离子共振原理，本装置会检测因分析物的性质变化而引起的共振损耗峰(折射率)的变化，最终在计算机处显示，从而达到参量测量的目的。
Claims (1)
1.一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置，其特征在于：由光源(1)、单模光纤(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、光电转化器(5)、信号处理模块(6)和计算机(7)组成；
所述传感单元(3)为光子晶体光纤(3-1)；由9个第一圆形空气孔(3-2)、6个第二圆形空气孔(3-3)、银膜(3-4)、石墨烯层(3-5)和分析液(3-6)构成；光子晶体光纤(3-1)经表面抛光技术制作成D型，第一圆形空气孔(3-2)、第二圆形空气孔(3-3)、都关于光纤y轴对称排列；银膜(3-4)在光子晶体光纤(3-1)与石墨烯层(3-5)的交界处；分析液(3-6)用来添加各种待测液；
所述的传感单元(3)，光子晶体光纤(3-1)内第一圆形空气孔(3-2)和第二圆形空气孔(3-3)的间距Λ为1.2μm，光子晶体光纤(3-1)的直径为6.2μm，第一圆形空气孔(3-2)直径为1.0μm，第二圆形空气孔(3-3)的直径为1.1μm，银膜(3-4)的厚度为20nm；光子晶体光纤(3-1)的基底材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义；
其中λ是光波的波长，参数a1＝0.6961663，a2＝0.4079426，a3＝0.8974794，b1＝0.0684043um，b2＝0.1162414um，b3＝9.896161um，因此可以计算PCF传输模式的色散；
所述的银膜(3-4)利用射频磁控溅射方法涂覆；采用堆叠-拉丝技术制备光子晶体光纤(3-1)，光子晶体光纤(3-1)的长度为20mm；
所述分析液(3-6)为待测液，待测液折射率的变化会影响共振峰的偏移，可以达到参量测量的目的；
所述光源(1)输出1000-1600nm波段的光信号；
所述的一种基于双层空气孔排布的D型光子晶体光纤传感装置，由光源(1)发射光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，传感单元(3)输出至光谱分析仪(4)与光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出到信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示；
所述的光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，其特征在于：银膜(3-4)产生表面等离子体共振(SPR)现象，SPR对介质环境十分敏感，分析液(3-6)折射率RI变化会使共振条件发生变化，导致共振损耗峰发生明显偏移，可以实现高灵敏度、实时性探测；
光源(1)发出光信号，经单模光纤(2)传输至传感单元(3)，当分析液(3-6)折射率改变时，光子晶体光纤(3-1)等离子体共振现象的条件发生改变，耦合模式发生变化，在光谱分析仪(4)中显示的不同折射率下的峰值会发生红移或蓝移，当分析液(3-6)的折射率增大时，峰值出现红移；经灵敏度公式计算灵敏度；
所述灵敏度公式为：
s＝Δλpeak/Δna (2)
式中Δna为折射率的变化量，Δλpeak为不同折射率状态下的两个峰的峰值的差值，传感单元(3)将携带Δλpeak数值的光信号传输至光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出至信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示分析液(3-6)的信息。
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