[發(fā)明專利]一種光纖折射率傳感器及其制作方法

有效

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• 申請日: 2014-07-30
• 公開（公告）號: CN104122227B
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚曉玲;李學(xué)金;耿優(yōu)福;殷震;洪學(xué)明
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳大學(xué)
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 深圳市恒申知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙)44312
• 代理人: 陳健

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種懸掛芯光子晶體光纖折射率傳感器及其制作方法。

背景技術(shù)

折射率是物質(zhì)的一個重要物理參數(shù)，在生化傳感和檢測中具有重要的意義。相對于其他傳感器，光纖傳感器結(jié)構(gòu)小、靈敏度高、抗電磁干擾、絕緣性好、耐腐蝕以及遠(yuǎn)距離遙測等優(yōu)點(diǎn)，使其在折射率測量具有一定程度的優(yōu)勢。目前典型的光纖折射率傳感器包括：光纖表面等離子體共振(SPR)折射率傳感器、光纖光柵折射率傳感器、基于倏逝波的光纖折射率傳感器。這幾種光纖折射率傳感器都是利用光纖的線性效應(yīng)，靈敏度為10⁴nm/RIU量級，對于生化檢測，靈敏度還有待于進(jìn)一步的提高。此外，這些傳感光纖都需要經(jīng)過后處理(比如光纖側(cè)拋、光柵刻寫、光纖拉錐等)，增加了傳感器制作的難度和復(fù)雜性，并且傳感器比較脆弱易斷。

四波混頻效應(yīng)是介質(zhì)中四個光波相互作用所引起的非線性光學(xué)效應(yīng)。當(dāng)兩個泵浦波長頻率相同時(shí)，稱為簡并四波混頻，產(chǎn)生的上、下頻移的兩個信號波稱為斯托克斯波和反斯托克斯波。當(dāng)泵浦波長位于光纖零色散波長附近時(shí)，容易滿足相位匹配條件，產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)，并且斯托克斯波和反斯托克斯波對光纖色散非常敏感。當(dāng)光纖結(jié)構(gòu)(折射率等)或者外界環(huán)境(溫度、壓強(qiáng)、拉力、壓力等)發(fā)生微小變化時(shí)，光纖的零色散波長會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的斯托克斯波和反斯托克斯波波長發(fā)生漂移。通過斯托克斯波或反斯托克斯波的漂移情況來反映光纖結(jié)構(gòu)或外界環(huán)境的變化，就是基于四波混頻效應(yīng)的光纖傳感機(jī)理。

在此領(lǐng)域，丹麥技術(shù)大學(xué)提出了利用高非線性光子晶體光纖中的四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高靈敏度折射率傳感。但是其采用的光纖零色散波長未靠近光源的泵浦波長，折射率靈敏度還有待于提高。此外，此種光纖的空氣孔尺寸都非常小，光纖的非線性系數(shù)比較低，傳感光纖長度大約為1米左右。在用于折射率傳感時(shí)，液體只能采用高壓泵注入的方式，耗時(shí)幾個小時(shí)，才能完全填充進(jìn)光纖的空氣孔中，降低了此種傳感器在生物檢測方面的實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種光纖折射率傳感器及其制作方法，旨在解決光纖空氣孔尺寸小，光纖的非線性系數(shù)低，傳感光纖長度長，液體不易注入光纖空氣孔的問題，并進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種光纖折射率傳感器，所述光纖折射率傳感器沿光路方向包括高功率激光器、第一半波片、起偏器、第二半波片、耦合透鏡、懸掛芯光子晶體光纖和光譜儀；

所述懸掛芯光子晶體光纖具有包層和纖芯,其中,包層中具有若干個通過亞波長石英臂懸掛在纖芯周圍的空氣孔，所述空氣孔的孔徑大于所述纖芯的芯徑，且所述空氣孔中填充有待測液體樣品。

進(jìn)一步地，所述高功率激光器的中心波長為1064nm，脈沖寬度為ns量級，重復(fù)頻率<10KHz，峰值功率>10KW。

進(jìn)一步地，所述耦合透鏡放大倍數(shù)為20倍。

進(jìn)一步地，所述懸掛芯光子晶體光纖芯徑<1μm，石英臂厚度<1μm，空氣孔的孔徑為20μm-30μm，光纖的零色散波長接近泵浦波長1064nm。

進(jìn)一步地，所述懸掛芯光子晶體光纖空氣孔中固定有生物膜。

本發(fā)明還提供了一種光纖折射率傳感器的制作方法，包括下述步驟：

A.將懸掛芯光子晶體光纖兩端切平，令氣孔開放，將待測液體樣品填充到懸掛芯光子晶體光纖包層的空氣孔中；所述懸掛芯光子晶體光纖具有包層和纖芯,其中,包層中具有若干個通過亞波長石英臂懸掛在纖芯周圍的空氣孔，且所述空氣孔的孔徑大于所述纖芯的芯徑，光纖的零色散波長接近泵浦波長1064nm；

B.沿光路方向依次將第一半波片、起偏器、第二半波片、耦合透鏡、填充有待測液體樣品后的懸掛芯光子晶體光纖以可實(shí)現(xiàn)空間耦合的位置關(guān)系固定在調(diào)整架上，將第一半波片與高功率激光器通過空間耦合的方式連接，并將懸掛芯光子晶體光纖的一端通過連接頭接入光譜儀。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：采用的懸掛芯光子晶體光纖，其包層為幾個空氣孔通過亞波長石英臂懸掛在石英纖芯周圍，光纖纖芯小，包層空氣孔大，既能保證光纖高非線性系數(shù)縮短傳感光纖長度，又方便空氣孔中液體的填充。另外，提供一種基于四波混頻效應(yīng)的懸掛芯光子晶體光纖折射率傳感器的制作方法，由于懸掛芯光子晶體光纖的零色散波長位于泵浦波長附近，產(chǎn)生的斯托克斯波和反斯托克斯波對光纖色散非常敏感，可實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的折射率傳感，靈敏度可高達(dá)10⁵nm/RIU量級。并且避免溫度交叉敏感性，實(shí)現(xiàn)對外界環(huán)境折射率微變量高精度傳感測量。

附圖說明