一種基於光子晶體光纖的折射率傳感器的製作方法

2023-08-02 07:08:01 2

專利名稱：一種基於光子晶體光纖的折射率傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光子晶體光纖傳感技術領域，涉及一種基於光子晶體光纖的折射率傳感器。
背景技術：
近年來，隨著科技的進步，人們對傳感器的要求越來越來高，光纖傳感器以其本身優點在科研和工業應用中一直佔有重要的地位。在傳統的光纖傳感器應用中，包括長周期光纖光柵傳感器和布拉格光纖光柵傳感器等，由於其具有對環境溫度的敏感性，對摺射率等物理量傳感時交叉影響較為嚴重，將導致傳感精度不理想。同時，傳統光纖傳感器只能用於測量折射率小於包層的液體，在對高折射率液體的測量中將失效。光子晶體光纖(PCF)是一種新型光纖且具備優良的光學特性，在其包層中分布著周期性排列、沿光纖軸向伸展的空氣孔，可以通過靈活改變空氣孔的大小、形狀、位置分布來設計出具有各種特殊性質的PCF。光子晶體光纖具有很好的結構特性和模式特性，可以實現對溫度、應力、環境折射率和彎曲等物理量的傳感。光子晶體光纖傳感器不僅與傳統光纖傳感器一樣，具有精度高、傳感範圍大和抗外界幹擾等優點，還具有對環境溫度的不敏感性，並且可用於測量高折射率液體以及高傳感精度的微量檢測。現已實現了多種基於光子晶體光纖的傳感器。但是，目前的報導都是通過使用寬帶光源和光譜儀檢測諧振波峰(谷) 的波長變化來實現對應力或溫度的傳感。在綜上所述的研究中，現有傳感技術較少涉及對對高折射率液體的測量領域，限制了光纖傳感器的應用範圍。
發明內容本實用新型針對傳統光纖折射率傳感器對高折射率液體測量失效、耗費待測液體等問題，提供了一種可用於高折射率液體微量測量的特殊結構的光子晶體光纖，並進一步提供了基於該光子晶體光纖的折射率傳感器。本實用新型解決技術問題所採取的技術方案為本實用新型的第一種技術方案一種基於光子晶體光纖的折射率傳感器，包括光源、單模光纖、光子晶體光纖和圖像傳感器。光源的輸出端與單模光纖的一端光連接，單模光纖的另一端與光子晶體光纖的一端光連接，光子晶體光纖的另一端正對圖像傳感器。本實用新型的第二種技術方案一種基於光子晶體光纖的折射率傳感器，包括寬帶光源、單模光纖、光子晶體光纖、第一 3dB光纖耦合器、第二 3dB光纖耦合器和光譜儀。寬帶光源與第一 3dB光纖耦合器一側的一個埠光連接，第一 3dB光纖耦合器另一側的兩個埠分別與光子晶體光纖的一端、單模光纖的一端光連接；光子晶體光纖的另一端、單模光纖的另一端分別與第二 3dB光纖耦合器一側的兩個埠光連接，第二 3dB光纖耦合器另一側的一個埠與光譜儀光連接。
3[0010]上述兩種技術方案中所述的光子晶體光纖包括纖芯、空氣孔層和包層；所述的纖芯內部中空，纖芯的折射率為1，纖芯直徑為10 μ m;所述的空氣孔層位於包層中且至少有一層空氣孔層，每層空氣孔層圍繞纖芯中心分布，每層空氣孔層呈正六邊形，所述的空氣孔層由多個空氣孔組成，每個空氣孔的折射率為1，空氣孔的直徑為ΙΟμπι，相鄰空氣孔的孔間距與空氣孔的直徑相同；所述的包層材料為二氧化矽。所述的纖芯與最內層空氣孔層中空氣孔的最小中心距為17.32μπι，所述的纖芯與最內層空氣孔層中空氣孔的最大中心距為20 μ m。本實用新型所具有的有益效果為利用傳感精度高的光子晶體光纖折射率傳感裝置，使得本實用新型對不同折射率液體測量的靈敏度提高，尤其是能應用於對高折射率液體的微量測量。採用可見光CMOS圖像傳感系統顯示峰值功率變化，使折射率傳感器的成本大大降低；採用光譜儀檢測峰值波長移動，使測量方法簡單、方便、快捷，大大增強了傳感器的實用性。

圖1為本實用新型中光子晶體光纖結構示意圖。圖2為本實用新型第一實施例結構示意圖。圖3為本實用新型第二實施例結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進一步描述。圖1示出了本實用新型中光子晶體光纖的結構，包括纖芯1、空氣孔層2和包層3。 纖芯1的內部中空，纖芯1的折射率為1，直徑為ΙΟμπι。空氣孔層2位於包層中，本實施例中的空氣孔層共有三層，每個空氣孔層2由多個空氣孔構成，呈空氣孔層2呈正六邊形並以纖芯為中心。每個空氣孔的折射率為1，直徑為ΙΟμπι，相鄰空氣孔的孔間距與空氣孔的直徑相同。包層3材料為二氧化矽，折射率為1.45。纖芯與最內層空氣孔層中空氣孔的最小中心距d為17. 32 μ m,最大中心距m為20 μ m。圖2示出了本實用新型的第一實施例，基於光子晶體光纖折射率傳感器包括可見光LED光源4、單模光纖5、光子晶體光纖6、CM0S圖像傳感器7。可見光LED光源4光纖與單模光纖5的一端連接，單模光纖5的另一端與光子晶體光纖6連接，光子晶體光纖6的另一端與CMOS圖像傳感器7的接收器距離為5cm。圖2所示的折射率傳感器工作方式為將待測液體注入光子晶體光纖的空氣孔中，將光子晶體光纖與單模光纖連接，可見光LED光源發出的光經過單模光纖後射入光子晶體光纖，由於光子晶體光纖中空氣孔的折射率發生變化，使經光子晶體光纖傳輸後的光能量發生改變，其透射光斑經5cm的距離放大後被COMS圖像傳感器的接收器接收，在CMOS 中顯示透射光的功率分布圖，根據透射光的峰值功率得到光子晶體光纖中的液體折射率。 該裝置正是通過監測透射光功率的變化來檢測PCF中空氣孔內液體折射率的變化，實現 PCF折射率傳感。圖2所示的折射率傳感器採用尺寸為1/3英寸、解析度為640X480像素的COMS 圖像傳感器獲取透射光峰值功率，測量範圍為1. 45 1. 8時，該折射率傳感器的解析度達到 3. 657X 1(Γ6。圖3示出了本實用新型的第二實施例，基於光子晶體光纖折射率傳感器包括寬帶光源8、3dB光纖耦合器9、光子晶體光纖10、單模光纖11、光譜儀12。寬帶光源8光纖與左側的3dB光纖耦合器9入射端的一個埠連接，左側3dB光纖耦合器9出射端的兩個埠分別與光子晶體光纖10的一端、單模光纖11的一端連接，光子晶體光纖10的另一端、單模光纖11的另一端與右側3dB光纖耦合器9入射端的兩個埠連接，右側3dB光纖耦合器9 出射端埠與光譜儀12連接。圖3所示的折射率傳感器的工作方式為將待測液體注入光子晶體光纖的空氣孔中，寬帶光源的光通過3dB光纖耦合器後被分為光能量1 1的兩束光，一束作為參考光進入單模光纖中，另一束作為信號光進入光子晶體光纖。由於光子晶體光纖的纖芯和空氣孔中的折射率發生改變，使其基模有效折射率發生改變，從而使光在其中傳輸後相位將發生改變。經光子晶體光纖後出射的光與經單模光纖出射的光之間存在相位差，成為相干光。將此相干光輸入光譜儀，可以觀察到由相位差引起的光譜中波峰或波谷的移動。因此可以通過檢測光譜中波峰的移動得到折射率差，從而得到光子晶體光纖中待測液體的折射率。該裝置正是通過監測透射光的光波長的漂移來檢測PCF中空氣孔內液體折射率的變化，實現 PCF折射率傳感。圖3所示的折射率傳感器採用解析度為0. 02nm的光譜儀獲取透射光譜，測量範圍為1. 45 1. 8時，該折射率傳感器的解析度達到6. 41 X 10_6。
權利要求1.一種基於光子晶體光纖的折射率傳感器，包括光源、單模光纖、光子晶體光纖和圖像傳感器，其特徵在於光源的輸出端與單模光纖的一端光連接，單模光纖的另一端與光子晶體光纖的一端光連接，光子晶體光纖的另一端正對圖像傳感器；所述的光子晶體光纖包括纖芯、空氣孔層和包層；所述的纖芯內部中空，纖芯的折射率為1，纖芯直徑為10 μ m;所述的空氣孔層位於包層中且至少有一層空氣孔層，每層空氣孔層圍繞纖芯中心分布，每層空氣孔層呈正六邊形，所述的空氣孔層由多個空氣孔組成，每個空氣孔的折射率為1，空氣孔的直徑為ΙΟμπι，相鄰空氣孔的孔間距與空氣孔的直徑相同； 所述的包層材料為二氧化矽；所述的纖芯與最內層空氣孔層中空氣孔的最小中心距為17. 32μπι，所述的纖芯與最內層空氣孔層中空氣孔的最大中心距為20 μ m。
2.一種基於光子晶體光纖的折射率傳感器，包括寬帶光源、單模光纖、光子晶體光纖、 第一 3dB光纖耦合器、第二 3dB光纖耦合器和光譜儀，其特徵在於寬帶光源與第一 3dB光纖耦合器一側的一個埠光連接，第一 3dB光纖耦合器另一側的兩個埠分別與光子晶體光纖的一端、單模光纖的一端光連接；光子晶體光纖的另一端、單模光纖的另一端分別與第二 3dB光纖耦合器一側的兩個埠光連接，第二 3dB光纖耦合器另一側的一個埠與光譜儀光連接；所述的光子晶體光纖包括纖芯、空氣孔層和包層；所述的纖芯內部中空，纖芯的折射率為1，纖芯直徑為ΙΟμπι;所述的空氣孔層位於包層中且至少有一層空氣孔層，每層空氣孔層圍繞纖芯中心分布，每層空氣孔層呈正六邊形，所述的空氣孔層由多個空氣孔組成，每個空氣孔的折射率為1，空氣孔的直徑為ΙΟμπι，相鄰空氣孔的孔間距與空氣孔的直徑相同； 所述的包層材料為二氧化矽；所述的纖芯與最內層空氣孔層中空氣孔的最小中心距為17.32μπι，所述的纖芯與最內層空氣孔層中空氣孔的最大中心距為20 μ m。
專利摘要本實用新型涉及一種基於光子晶體光纖的折射率傳感器。本實用新型一種技術方案包括光源、單模光纖、光子晶體光纖和圖像傳感器。本實用新型另一種技術方案包括寬帶光源、單模光纖、光子晶體光纖、第一3dB光纖耦合器、第二3dB光纖耦合器和光譜儀。本實用新型中的光子晶體光纖包括纖芯、空氣孔層和包層；纖芯內部中空，空氣孔層位於包層中且至少有一層空氣孔層，每層空氣孔層圍繞纖芯中心分布，包層材料為二氧化矽。本實用新型利用傳感精度高的光子晶體光纖折射率傳感裝置，使得本實用新型對不同折射率液體測量的靈敏度提高，尤其是能應用於對高折射率液體的微量測量。
文檔編號G01N21/41GK202126402SQ20112022904
公開日2012年1月25日 申請日期2011年7月1日 優先權日2011年7月1日
發明者王治強, 章辰, 裘燕青, 趙春柳, 金永興 申請人:中國計量學院