專利名稱：基于光子晶體光纖的折射率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光子晶體光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于光子晶體光纖的折射率傳感器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)傳感器的要求越來(lái)越來(lái)高，光纖傳感器以其本身優(yōu)點(diǎn)在科研和工業(yè)應(yīng)用中一直占有重要的地位。在傳統(tǒng)的光纖傳感器應(yīng)用中，包括長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器和布拉格光纖光柵傳感器等，由于其具有對(duì)環(huán)境溫度的敏感性，對(duì)折射率等物理量傳感時(shí)交叉影響較為嚴(yán)重，將導(dǎo)致傳感精度不理想。同時(shí)，傳統(tǒng)光纖傳感器只能用于測(cè)量折射率小于包層的液體，在對(duì)高折射率液體的測(cè)量中將失效。光子晶體光纖(PCF)是一種新型光纖且具備優(yōu)良的光學(xué)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(guò)靈活改變空氣孔的大小、形狀、位置分布來(lái)設(shè)計(jì)出具有各種特殊性質(zhì)的PCF。光子晶體光纖具有很好的結(jié)構(gòu)特性和模式特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)力、環(huán)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(tǒng)光纖傳感器一樣，具有精度高、傳感范圍大和抗外界干擾等優(yōu)點(diǎn)，還具有對(duì)環(huán)境溫度的不敏感性，并且可用于測(cè)量高折射率液體以及高傳感精度的微量檢測(cè)?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了多種基于光子晶體光纖的傳感器。但是，目前的報(bào)道都是通過(guò)使用寬帶光源和光譜儀檢測(cè)諧振波峰(谷) 的波長(zhǎng)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力或溫度的傳感。在綜上所述的研究中，現(xiàn)有傳感技術(shù)較少涉及對(duì)對(duì)高折射率液體的測(cè)量領(lǐng)域，限制了光纖傳感器的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)光纖折射率傳感器對(duì)高折射率液體測(cè)量失效、耗費(fèi)待測(cè)液體等問(wèn)題，提供了一種可用于高折射率液體微量測(cè)量的特殊結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，并進(jìn)一步提供了基于該光子晶體光纖的折射率傳感器。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案為
本發(fā)明的第一種技術(shù)方案基于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(duì)圖像傳感器。本發(fā)明的第二種技術(shù)方案基于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(cè)的一個(gè)端口光連接，第一 3dB光纖耦合器另一側(cè)的兩個(gè)端口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(cè)的兩個(gè)端口光連接，第二 3dB光纖耦合器另一側(cè)的一個(gè)端口與光譜儀光連接。
上述兩種技術(shù)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(nèi)部中空，纖芯的折射率為1，纖芯直徑為10 μ m;所述的空氣孔層位于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(gè)空氣孔組成，每個(gè)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硅。所述的纖芯與最內(nèi)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(nèi)層空氣孔層中空氣孔的最大中心距為20 μ m。本發(fā)明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， 使得本發(fā)明對(duì)不同折射率液體測(cè)量的靈敏度提高，尤其是能應(yīng)用于對(duì)高折射率液體的微量測(cè)量。采用可見(jiàn)光CMOS圖像傳感系統(tǒng)顯示峰值功率變化，使折射率傳感器的成本大大降低；采用光譜儀檢測(cè)峰值波長(zhǎng)移動(dòng)，使測(cè)量方法簡(jiǎn)單、方便、快捷，大大增強(qiáng)了傳感器的實(shí)用性。


圖1為本發(fā)明中光子晶體光纖結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明第二實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述。圖1示出了本發(fā)明中光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)，包括纖芯1、空氣孔層2和包層3。纖芯1的內(nèi)部中空，纖芯1的折射率為1，直徑為ΙΟμπι?？諝饪讓?位于包層中，本實(shí)施例中的空氣孔層共有三層，每個(gè)空氣孔層2由多個(gè)空氣孔構(gòu)成，呈空氣孔層2呈正六邊形并以纖芯為中心。每個(gè)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材料為二氧化硅，折射率為1.45。纖芯與最內(nèi)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示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例，基于光子晶體光纖折射率傳感器包括可見(jiàn)光 LED光源4、單模光纖5、光子晶體光纖6、CMOS圖像傳感器7。可見(jiàn)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(cè)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(jiàn)光LED光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)單模光纖后射入光子晶體光纖，由于光子晶體光纖中空氣孔的折射率發(fā)生變化，使經(jīng)光子晶體光纖傳輸后的光能量發(fā)生改變，其透射光斑經(jīng)5cm的距離放大后被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(jù)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(guò)監(jiān)測(cè)透射光功率的變化來(lái)檢測(cè)PCF中空氣孔內(nèi)液體折射率的變化，實(shí)現(xiàn) PCF折射率傳感。圖2所示的折射率傳感器采用尺寸為1/3英寸、分辨率為640X480像素的COMS 圖像傳感器獲取透射光峰值功率，測(cè)量范圍為1. 45 1. 8時(shí)，該折射率傳感器的分辨率達(dá)到 3. 657X 1(Γ6。圖3示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例，基于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(cè)的 3dB光纖耦合器9入射端的一個(gè)端口連接，左側(cè)3dB光纖耦合器9出射端的兩個(gè)端口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(cè)3dB光纖耦合器9入射端的兩個(gè)端口連接，右側(cè)3dB光纖耦合器9出射端端口與光譜儀12連接。圖3所示的折射率傳感器的工作方式為將待測(cè)液體注入光子晶體光纖的空氣孔中，寬帶光源的光通過(guò)3dB光纖耦合器后被分為光能量1 1的兩束光，一束作為參考光進(jìn)入單模光纖中，另一束作為信號(hào)光進(jìn)入光子晶體光纖。由于光子晶體光纖的纖芯和空氣孔中的折射率發(fā)生改變，使其基模有效折射率發(fā)生改變，從而使光在其中傳輸后相位將發(fā)生改變。經(jīng)光子晶體光纖后出射的光與經(jīng)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(dòng)。因此可以通過(guò)檢測(cè)光譜中波峰的移動(dòng)得到折射率差，從而得到光子晶體光纖中待測(cè)液體的折射率。該裝置正是通過(guò)監(jiān)測(cè)透射光的光波長(zhǎng)的漂移來(lái)檢測(cè)PCF中空氣孔內(nèi)液體折射率的變化，實(shí)現(xiàn) PCF折射率傳感。圖3所示的折射率傳感器采用分辨率為0. 02nm的光譜儀獲取透射光譜，測(cè)量范圍為1. 45 1. 8時(shí)，該折射率傳感器的分辨率達(dá)到6. 41 X 10_6。
權(quán)利要求
1.基于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，其特征在于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(duì)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(nèi)部中空，纖芯的折射率為1，纖芯直徑為10 μ m;所述的空氣孔層位于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(gè)空氣孔組成，每個(gè)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硅；所述的纖芯與最內(nèi)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(nèi)層空氣孔層中空氣孔的最大中心距為20 μ m。
2.基于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，其特征在于寬帶光源與第一 3dB光纖耦合器一側(cè)的一個(gè)端口光連接，第一 3dB光纖耦合器另一側(cè)的兩個(gè)端口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(cè)的兩個(gè)端口光連接，第二 3dB光纖耦合器另一側(cè)的一個(gè)端口與光譜儀光連接；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(nèi)部中空，纖芯的折射率為1，纖芯直徑為ΙΟμπι;所述的空氣孔層位于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(gè)空氣孔組成，每個(gè)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硅；所述的纖芯與最內(nèi)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(nèi)層空氣孔層中空氣孔的最大中心距為20 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光子晶體光纖的折射率傳感器。本發(fā)明一種技術(shù)方案包括光源、單模光纖、光子晶體光纖和圖像傳感器。本發(fā)明另一種技術(shù)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。本發(fā)明中的光子晶體光纖包括纖芯、空氣孔層和包層；纖芯內(nèi)部中空，空氣孔層位于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，包層材料為二氧化硅。本發(fā)明利用傳感精度高的光子晶體光纖折射率傳感裝置，使得本發(fā)明對(duì)不同折射率液體測(cè)量的靈敏度提高，尤其是能應(yīng)用于對(duì)高折射率液體的微量測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102279169SQ20111018255
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月1日
發(fā)明者王治強(qiáng), 章辰, 裘燕青, 趙春柳, 金永興 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院