一种光纤折射率传感器及其制作方法
【专利摘要】本发明适用于光纤传感【技术领域】,提供了一种基于四波混频效应的悬挂芯光子晶体光纤折射率传感器，它由高功率激光器、2个半波片、起偏器、耦合透镜、悬挂芯光子晶体光纤和光谱仪组成。采用的悬挂芯光子晶体光纤，其包层为几个空气孔通过亚波长石英臂悬挂在石英纤芯周围，光纤纤芯小，包层空气孔大，既能保证光纤高非线性系数缩短传感光纤长度，又方便空气孔中液体的填充。另外，提供了一种基于四波混频效应的悬挂芯光子晶体光纤折射率传感器的制造方法，由于悬挂芯光子晶体光纤的零色散波长位于泵浦波长附近，产生的斯托克斯波和反斯托克斯波对光纤色散非常敏感，可实现超高灵敏度的折射率传感，灵敏度可高达105nm/RIU量级。并且避免温度交叉敏感性，实现对外界环境折射率微变量高精度传感测量。
【专利说明】一种光纤折射率传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感【技术领域】，尤其涉及一种悬挂芯光子晶体光纤折射率传感 器及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 折射率是物质的一个重要物理参数，在生化传感和检测中具有重要的意义。相对 于其他传感器，光纤传感器结构小、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀以及远距离遥 测等优点，使其在折射率测量具有一定程度的优势。目前典型的光纤折射率传感器包括：光 纤表面等离子体共振（SPR)折射率传感器、光纤光栅折射率传感器、基于倏逝波的光纤折 射率传感器。这几种光纤折射率传感器都是利用光纤的线性效应，灵敏度为l〇 4nm/RIU量 级，对于生化检测，灵敏度还有待于进一步的提高。此外，这些传感光纤都需要经过后处理 (比如光纤侧抛、光栅刻写、光纤拉锥等），增加了传感器制作的难度和复杂性，并且传感器 比较脆弱易断。
[0003] 四波混频效应是介质中四个光波相互作用所引起的非线性光学效应。当两个泵浦 波长频率相同时，称为简并四波混频，产生的上、下频移的两个信号波称为斯托克斯波和反 斯托克斯波。当泵浦波长位于光纤零色散波长附近时，容易满足相位匹配条件，产生四波混 频效应，并且斯托克斯波和反斯托克斯波对光纤色散非常敏感。当光纤结构（折射率等） 或者外界环境（温度、压强、拉力、压力等）发生微小变化时，光纤的零色散波长会发生变 化，从而导致产生的斯托克斯波和反斯托克斯波波长发生漂移。通过斯托克斯波或反斯托 克斯波的漂移情况来反映光纤结构或外界环境的变化，就是基于四波混频效应的光纤传感 机理。
[0004] 在此领域，丹麦技术大学提出了利用高非线性光子晶体光纤中的四波混频效应实 现高灵敏度折射率传感。但是其采用的光纤零色散波长未靠近光源的泵浦波长，折射率灵 敏度还有待于提高。此外，此种光纤的空气孔尺寸都非常小，光纤的非线性系数比较低，传 感光纤长度大约为1米左右。在用于折射率传感时，液体只能采用高压泵注入的方式，耗时 几个小时，才能完全填充进光纤的空气孔中，降低了此种传感器在生物检测方面的实用性。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种光纤折射率传感器及其制作方法，旨在 解决光纤空气孔尺寸小，光纤的非线性系数低，传感光纤长度长，液体不易注入光纤空气孔 的问题，并进一步提高传感器的灵敏度。
[0006] 本发明是这样实现的，一种光纤折射率传感器，所述光纤折射率传感器沿光路方 向包括高功率激光器、第一半波片、起偏器、第二半波片、稱合透镜、悬挂芯光子晶体光纤和 光谱仪；
[0007] 所述悬挂芯光子晶体光纤具有包层和纤芯，其中，包层中具有若干个通过亚波长 石英臂悬挂在纤芯周围的空气孔，所述空气孔的孔径大于所述纤芯的芯径，且所述空气孔 中填充有待测液体样品。
[0008] 进一步地，所述高功率激光器的中心波长为1064nm，脉冲宽度为ns量级，重复频 率〈ΙΟΚΗζ，峰值功率>10KW。
[0009] 进一步地，所述耦合透镜放大倍数为20倍。
[0010] 进一步地，所述悬挂芯光子晶体光纤芯径〈1 μ m，石英臂厚度〈1 μ m，空气孔的孔 径为20 μ m-30 μ m，空气孔的个数及排列方式使得纤芯形状为圆形或接近圆形，光纤的零色 散波长接近泵浦波长l〇64nm。
[0011] 进一步地，所述悬挂芯光子晶体光纤空气孔中固定有生物膜。
[0012] 本发明还提供了一种光纤折射率传感器的制造方法，包括下述步骤：
[0013] A.将悬挂芯光子晶体光纤两端切平，令气孔开放，将待测液体样品填充到悬挂芯 光子晶体光纤包层的空气孔中；所述悬挂芯光子晶体光纤具有包层和纤芯，其中，包层中 具有若干个通过亚波长石英臂悬挂在纤芯周围的空气孔，且所述空气孔的孔径大于所述纤 芯的芯径，光纤的零色散波长接近泵浦波长l〇64nm ;
[0014] B.沿光路方向依次将第一半波片、起偏器、第二半波片、耦合透镜、填充有待测液 体样品后的悬挂芯光子晶体光纤以可实现空间耦合的位置关系固定在调整架上，将第一半 波片与高功率激光器通过空间耦合的方式连接，并将悬挂芯光子晶体光纤的一端通过连接 头接入光谱仅。
[0015] 本发明与现有技术相比，有益效果在于：采用的悬挂芯光子晶体光纤，其包层为几 个空气孔通过亚波长石英臂悬挂在石英纤芯周围，光纤纤芯小，包层空气孔大，既能保证光 纤高非线性系数缩短传感光纤长度，又方便空气孔中液体的填充。另外，提供一种基于四波 混频效应的悬挂芯光子晶体光纤折射率传感器的制造方法，由于悬挂芯光子晶体光纤的零 色散波长位于泵浦波长附近，产生的斯托克斯波和反斯托克斯波对光纤色散非常敏感，可 实现超高灵敏度的折射率传感，灵敏度可高达l〇 5nm/RIU量级。并且避免温度交叉敏感性， 实现对外界环境折射率微变量高精度传感测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是本发明实施例提供的一种光纤折射率传感器的结构示意图；
[0017] 图2是本发明实施例提供的悬挂芯光子晶体光纤横截面示意图。
【具体实施方式】
[0018] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结 合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019] 本发明实施例通过介绍如图1所示的光纤折射率传感器及其制作方法，实现对液 体折射率变化的检测。
[0020] 本发明实施例提供的光纤折射率传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、稱合透镜、悬挂芯光子晶体光纤和光谱仪；所述悬挂芯光子晶体光 纤具有包层和纤芯，其中，包层中具有若干个通过亚波长石英臂悬挂在纤芯周围的空气 孔，所述空气孔的孔径大于所述纤芯的芯径，且所述空气孔中填充有待测液体样品，光纤的 零色散波长接近泵浦波长l〇64nm。
[0021] 高功率激光器1通过空间传输的方式将产生的激光输入第一半波片2,然后经过 起偏器3,半波片2和起偏器3组合可调节输入光的功率，经过第二半波片4可调节输入光 的偏振态，再经过耦合透镜5放大后激光被耦合进悬挂芯光子晶体光纤6,通过光谱仪7检 测输出。当悬挂芯光子晶体光纤中待测液体的折射率发生改变，光谱仪中斯托克斯波或反 斯托克斯波会发生漂移，通过观察斯托克斯波或反斯托克斯波的漂移量，进而可推断出待 测液体折射率的变化。其中，上述耦合透镜5可以根据实际需要的耦合效率来选择合适的 放大倍数。
[0022] 上述高功率激光器的中心波长为1064nm，脉冲宽度为ns量级，重复频率〈ΙΟΚΗζ， 峰值功率>10KW。
[0023] 上述高功率激光器，可为飞秒激光或高功率光纤激光器，在较低的平均功率情况 下，保证输入光峰值功率大于10KW。
[0024] 如图2所述，对于上述悬挂芯光子晶体光纤，其纤芯8的芯径〈1 μ m，石英臂10的 厚度〈1 μ m，空气孔9的孔径为20 μ m-30 μ m，背景材料10石英折射率为1. 44左右，空气孔 的个数及排列方式要保证纤芯形状接近圆形，避免双折射效应，光纤的零色散波长接近泵 浦波长l〇64nm。
[0025] 上述悬挂芯光子晶体光纤的纤芯8的芯径的大小，空气孔9的大小、形状、个数以 及排列方式都可调，因此可以根据需要改变光纤结构，而改变传感器的光谱特性。
[0026] 上述悬挂芯光子晶体光纤空气孔中固定生物膜，可用作生物传感器。
[0027] 上述光纤折射率传感器可采用下述方法制作，具体步骤如下：
[0028] A.将悬挂芯光子晶体光纤两端切平，令气孔开放，通过毛细现象可将待测液体样 品快速填充到悬挂芯光子晶体光纤包层的空气孔中；所述悬挂芯光子晶体光纤具有包层和 纤芯，其中，包层中具有若干个通过亚波长石英臂悬挂在纤芯周围的空气孔，且所述空气 孔的孔径大于所述纤芯的芯径，光纤的零色散波长接近泵浦波长l〇64nm ;
[0029] B.沿光路方向依次将第一半波片、起偏器、第二半波片、耦合透镜、填充有待测液 体样品后的悬挂芯光子晶体光纤以可实现空间耦合的位置关系固定在调整架上，将第一半 波片与高功率激光器通过空间耦合的方式连接，并将悬挂芯光子晶体光纤的一端通过连接 头接入光谱仅。
[0030] 上述光纤折射率传感器的使用方法步骤如下：
[0031] A.高功率激光器输出入射光，经第一个半波片和起偏器后，两者组合可以调节入 射光的功率，避免入射功率过大产生超连续谱，淹没四波混频信号；
[0032] B.调节第二个半波片控制入射光的偏振态；
[0033] C.观察光谱仪中斯托克斯波或反斯托克斯波的峰值大小，调整耦合透镜与悬挂芯 光子晶体光纤的位置，使得斯托克斯波或反斯托克斯波的峰值达到最大；所述悬挂芯光子 晶体光纤具有包层和纤芯，其中，包层中具有若干个通过亚波长石英臂悬挂在纤芯周围的 空气孔，且所述空气孔的孔径大于所述纤芯的芯径；
[0034] D.改变填充后悬挂芯光子晶体光纤的温度，可以改变液体的折射率，导致光谱仪 中光谱发生漂移，测量波长的漂移可以探知液体折射率的变化；
[0035] E.待测液体样品检测完毕，可以利用超声波清洗的方式对悬挂芯光子晶体光纤进 行空气孔的清洗，以便光纤的循环利用。
[0036] 其中，在光纤中产生四波混频效应需满足相位匹配条件和能量守恒定律
[0037] Δ k = = (η3 ω 3+η4 ω 4-2]^ ω J /c = 0
[0038] 其中，Ak表示波矢失配量，b k3, k4分别为泵浦波、斯托克斯波、反斯托克斯波的 波矢，表示泵浦波、斯托克斯波、反斯托克斯波的折射率，ω 1; ω3, ω4表示泵浦波、 斯托克斯波、反斯托克斯波的频率，c为光速。
[0039] 其中，将传播常数β以零色散波长ω(ι为中心泰勒展开，相位匹配条件可以转化 为：
[0040]
【权利要求】
1. 一种光纤折射率传感器，其特征在于，所述光纤折射率传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、稱合透镜、悬挂芯光子晶体光纤和光谱仪； 所述悬挂芯光子晶体光纤具有包层和纤芯，其中，包层中具有若干个通过亚波长石英 臂悬挂在纤芯周围的空气孔，所述空气孔的孔径大于所述纤芯的芯径，且所述空气孔中填 充有待测液体样品。
2. 如权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述高功率激光器的中心波 长为1064nm，脉冲宽度为ns量级，重复频率〈ΙΟΚΗζ，峰值功率>10KW。
3. 如权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述耦合透镜放大倍数为20 倍。
4. 如权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述悬挂芯光子晶体光纤芯 径〈1 μ m，石英臂厚度〈1 μ m，空气孔的孔径为20 μ m-30 μ m，空气孔的个数及排列方式使得 纤芯形状为圆形或接近圆形，光纤的零色散波长接近泵浦波长l〇64nm。
5. 如权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述悬挂芯光子晶体光纤空 气孔中固定有生物膜。
6. -种光纤折射率传感器的制造方法，包括下述步骤： A. 将悬挂芯光子晶体光纤两端切平，令气孔开放，将待测液体样品填充到悬挂芯光子 晶体光纤包层的空气孔中；所述悬挂芯光子晶体光纤具有包层和纤芯，其中，包层中具有 若干个通过亚波长石英臂悬挂在纤芯周围的空气孔，且所述空气孔的孔径大于所述纤芯的 芯径； B. 沿光路方向依次将第一半波片、起偏器、第二半波片、耦合透镜、填充有待测液体样 品后的悬挂芯光子晶体光纤以可实现空间耦合的位置关系固定在调整架上，将第一半波片 与高功率激光器通过空间耦合的方式连接，并将悬挂芯光子晶体光纤的一端通过连接头接 入光谱仪。
【文档编号】G01N21/41GK104122227SQ201410367715
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】谭晓玲, 李学金, 耿优福, 殷震, 洪学明 申请人:深圳大学