一種光纖折射率傳感器及其制作方法
【專利摘要】本發明適用于光纖傳感【技術領域】,提供了一種基于四波混頻效應的懸掛芯光子晶體光纖折射率傳感器，它由高功率激光器、2個半波片、起偏器、耦合透鏡、懸掛芯光子晶體光纖和光譜儀組成。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縮短傳感光纖長度，又方便空氣孔中液體的填充。另外，提供了一種基于四波混頻效應的懸掛芯光子晶體光纖折射率傳感器的制造方法，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，可實現超高靈敏度的折射率傳感，靈敏度可高達105nm/RIU量級。并且避免溫度交叉敏感性，實現對外界環境折射率微變量高精度傳感測量。
【專利說明】一種光纖折射率傳感器及其制作方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于光纖傳感【技術領域】，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】
[0002] 折射率是物質的一個重要物理參數，在生化傳感和檢測中具有重要的意義。相對 于其他傳感器，光纖傳感器結構小、靈敏度高、抗電磁干擾、絕緣性好、耐腐蝕以及遠距離遙 測等優點，使其在折射率測量具有一定程度的優勢。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，靈敏度為l〇 4nm/RIU量 級，對于生化檢測，靈敏度還有待于進一步的提高。此外，這些傳感光纖都需要經過后處理 (比如光纖側拋、光柵刻寫、光纖拉錐等），增加了傳感器制作的難度和復雜性，并且傳感器 比較脆弱易斷。
[0003] 四波混頻效應是介質中四個光波相互作用所引起的非線性光學效應。當兩個泵浦 波長頻率相同時，稱為簡并四波混頻，產生的上、下頻移的兩個信號波稱為斯托克斯波和反 斯托克斯波。當泵浦波長位于光纖零色散波長附近時，容易滿足相位匹配條件，產生四波混 頻效應，并且斯托克斯波和反斯托克斯波對光纖色散非常敏感。當光纖結構（折射率等） 或者外界環境（溫度、壓強、拉力、壓力等）發生微小變化時，光纖的零色散波長會發生變 化，從而導致產生的斯托克斯波和反斯托克斯波波長發生漂移。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構或外界環境的變化，就是基于四波混頻效應的光纖傳感 機理。
[0004] 在此領域，丹麥技術大學提出了利用高非線性光子晶體光纖中的四波混頻效應實 現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，液體只能采用高壓泵注入的方式，耗時 幾個小時，才能完全填充進光纖的空氣孔中，降低了此種傳感器在生物檢測方面的實用性。


【發明內容】

[0005] 本發明所要解決的技術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，光纖的非線性系數低，傳感光纖長度長，液體不易注入光纖空氣孔 的問題，并進一步提高傳感器的靈敏度。
[0006] 本發明是這樣實現的，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、稱合透鏡、懸掛芯光子晶體光纖和 光譜儀；
[0007] 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。
[0008] 進一步地，所述高功率激光器的中心波長為1064nm，脈沖寬度為ns量級，重復頻 率〈ΙΟΚΗζ，峰值功率>10KW。
[0009] 進一步地，所述耦合透鏡放大倍數為20倍。
[0010] 進一步地，所述懸掛芯光子晶體光纖芯徑〈1 μ m，石英臂厚度〈1 μ m，空氣孔的孔 徑為20 μ m-30 μ m，空氣孔的個數及排列方式使得纖芯形狀為圓形或接近圓形，光纖的零色 散波長接近泵浦波長l〇64nm。
[0011] 進一步地，所述懸掛芯光子晶體光纖空氣孔中固定有生物膜。
[0012] 本發明還提供了一種光纖折射率傳感器的制造方法，包括下述步驟：
[0013] 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l〇64nm ;
[0014] 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現空間耦合的位置關系固定在調整架上，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 頭接入光譜僅。
[0015] 本發明與現有技術相比，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 混頻效應的懸掛芯光子晶體光纖折射率傳感器的制造方法，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 實現超高靈敏度的折射率傳感，靈敏度可高達l〇 5nm/RIU量級。并且避免溫度交叉敏感性， 實現對外界環境折射率微變量高精度傳感測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明實施例提供的一種光纖折射率傳感器的結構示意圖；
[0017] 圖2是本發明實施例提供的懸掛芯光子晶體光纖橫截面示意圖。

【具體實施方式】
[0018] 為了使本發明所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結 合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅 用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0019] 本發明實施例通過介紹如圖1所示的光纖折射率傳感器及其制作方法，實現對液 體折射率變化的檢測。
[0020] 本發明實施例提供的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、稱合透鏡、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，光纖的 零色散波長接近泵浦波長l〇64nm。
[0021] 高功率激光器1通過空間傳輸的方式將產生的激光輸入第一半波片2,然后經過 起偏器3,半波片2和起偏器3組合可調節輸入光的功率，經過第二半波片4可調節輸入光 的偏振態，再經過耦合透鏡5放大后激光被耦合進懸掛芯光子晶體光纖6,通過光譜儀7檢 測輸出。當懸掛芯光子晶體光纖中待測液體的折射率發生改變，光譜儀中斯托克斯波或反 斯托克斯波會發生漂移，通過觀察斯托克斯波或反斯托克斯波的漂移量，進而可推斷出待 測液體折射率的變化。其中，上述耦合透鏡5可以根據實際需要的耦合效率來選擇合適的 放大倍數。
[0022] 上述高功率激光器的中心波長為1064nm，脈沖寬度為ns量級，重復頻率〈ΙΟΚΗζ， 峰值功率>10KW。
[0023] 上述高功率激光器，可為飛秒激光或高功率光纖激光器，在較低的平均功率情況 下，保證輸入光峰值功率大于10KW。
[0024] 如圖2所述，對于上述懸掛芯光子晶體光纖，其纖芯8的芯徑〈1 μ m，石英臂10的 厚度〈1 μ m，空氣孔9的孔徑為20 μ m-30 μ m，背景材料10石英折射率為1. 44左右，空氣孔 的個數及排列方式要保證纖芯形狀接近圓形，避免雙折射效應，光纖的零色散波長接近泵 浦波長l〇64nm。
[0025] 上述懸掛芯光子晶體光纖的纖芯8的芯徑的大小，空氣孔9的大小、形狀、個數以 及排列方式都可調，因此可以根據需要改變光纖結構，而改變傳感器的光譜特性。
[0026] 上述懸掛芯光子晶體光纖空氣孔中固定生物膜，可用作生物傳感器。
[0027] 上述光纖折射率傳感器可采用下述方法制作，具體步驟如下：
[0028] A.將懸掛芯光子晶體光纖兩端切平，令氣孔開放，通過毛細現象可將待測液體樣 品快速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l〇64nm ;
[0029] 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現空間耦合的位置關系固定在調整架上，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 頭接入光譜僅。
[0030] 上述光纖折射率傳感器的使用方法步驟如下：
[0031] A.高功率激光器輸出入射光，經第一個半波片和起偏器后，兩者組合可以調節入 射光的功率，避免入射功率過大產生超連續譜，淹沒四波混頻信號；
[0032] B.調節第二個半波片控制入射光的偏振態；
[0033] C.觀察光譜儀中斯托克斯波或反斯托克斯波的峰值大小，調整耦合透鏡與懸掛芯 光子晶體光纖的位置，使得斯托克斯波或反斯托克斯波的峰值達到最大；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；
[0034] D.改變填充后懸掛芯光子晶體光纖的溫度，可以改變液體的折射率，導致光譜儀 中光譜發生漂移，測量波長的漂移可以探知液體折射率的變化；
[0035] E.待測液體樣品檢測完畢，可以利用超聲波清洗的方式對懸掛芯光子晶體光纖進 行空氣孔的清洗，以便光纖的循環利用。
[0036] 其中，在光纖中產生四波混頻效應需滿足相位匹配條件和能量守恒定律
[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分別為泵浦波、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、反斯托克斯波的頻率，c為光速。
[0039] 其中，將傳播常數β以零色散波長ω(ι為中心泰勒展開，相位匹配條件可以轉化 為：
[0040]

【權利要求】
1. 一種光纖折射率傳感器，其特征在于，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、稱合透鏡、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。
2. 如權利要求1所述的光纖折射率傳感器，其特征在于，所述高功率激光器的中心波 長為1064nm，脈沖寬度為ns量級，重復頻率〈ΙΟΚΗζ，峰值功率>10KW。
3. 如權利要求1所述的光纖折射率傳感器，其特征在于，所述耦合透鏡放大倍數為20 倍。
4. 如權利要求1所述的光纖折射率傳感器，其特征在于，所述懸掛芯光子晶體光纖芯 徑〈1 μ m，石英臂厚度〈1 μ m，空氣孔的孔徑為20 μ m-30 μ m，空氣孔的個數及排列方式使得 纖芯形狀為圓形或接近圓形，光纖的零色散波長接近泵浦波長l〇64nm。
5. 如權利要求1所述的光纖折射率傳感器，其特征在于，所述懸掛芯光子晶體光纖空 氣孔中固定有生物膜。
6. -種光纖折射率傳感器的制造方法，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； 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現空間耦合的位置關系固定在調整架上，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。
【文檔編號】G01N21/41GK104122227SQ201410367715
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】譚曉玲, 李學金, 耿優福, 殷震, 洪學明 申請人:深圳大學