本发明提供了一种基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏微流体传感器。器件采用双芯光子晶体光纤设计,由包层、左右两纤芯和涂覆层组成。光纤基底材料采用环烯烃类聚合物(TOPAS);包层为三角晶格排列,具有六方对称性的圆形空气孔阵列;左芯采用等差分层微结构,用于增大左芯的模式双折射,同时改变基模色散曲线的斜率;右芯由圆形空气孔内填充待测量液体形成。理论研究表明,在0.5‑1.5THz频率范围内,光纤都能够实现精确的折射率传感,器件可检测折射率变化范围为0.019。在1THz,器件的折射率灵敏度达到51.22THz/RIU,优于以往研究结果。本发明利用太赫兹波的宽带特性和双芯光纤基模的交点耦合效应,构建了一个宽带、超灵敏的微流体折射率传感器。在对于传感和测量有高精度要求的生物、化学、医药等领域有非常广阔的应用前景。
1.一种太赫兹双芯光纤传感器,其基本结构由涂覆层、包层和左右两纤芯组成,其中左芯为输入端口,右芯为输出端口,光纤横截面结构为在基底材料中设计若干空气孔,其中包层由大小一致的圆形空气孔组成,在左芯中设计满足等差分层条件的亚波长微空气孔阵列,即在光纤横截面上,纤芯微结构分为多层,微结构基本单元为椭圆,中心椭圆的短半轴为r,每向外一层,椭圆的短半轴尺寸增大固定长度Δr,Δr>0,右芯内填充待测微流体。
2.根据权利要求 1 所述太赫兹双芯光纤传感器,其特征在于,光纤为双芯折射率引导型光子晶体光纤。
3.根据权利要求 1 所述太赫兹双芯光纤传感器,其特征在于,光纤包层为三角晶格排列,具有六方对称性的圆形空气孔。
4.根据权利要求 1 所述太赫兹双芯光纤传感器,其特征在于,左芯微结构为三角晶格排列、满足等差分层条件的椭圆空气孔。
技术领域
[0001]本发明涉及光纤传感和测量领域,具体涉及一种基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏折射率传感器。
背景技术
[0002]光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)又被称为多孔光纤(HoleyFiber, HF),或微结构光纤(Microstructure Fiber, MSF)。P.S.J.Russell等人于1991年首次提出光子晶体光纤的概念,从此掀开了光纤发展史中崭新的一页。J.C.Knight等人于1996年首次成功制备了光子晶体光纤,这是世界上第一根折射率引导型光子晶体光纤。1998年,第一根基于光子带隙原理的光子晶体光纤被拉制成功。从此,对PCF的研究就从未间断,热度不断攀升。目前,对光子晶体光纤波导及器件的研究已经渗透到各个领域,并已有大量商业化的产品。根据实际应用需求,人们不断设计出各种结构新颖的光子晶体光纤,包括高双折射PCF、单模单偏振PCF、多包层结构、多芯耦合结构、微结构纤芯PCF以及填充式PCF等等。目前的研究热点,主要体现在对新材料,新结构以及新功能的研究。
[0003]随着太赫兹技术的不断发展,人们很快把光子晶体光纤的概念应用到太赫兹波段。2002年,Han等人采用高密度聚乙烯材料的管和棒推挤成光子晶体光纤,对其进行实验测定,发现在0.1-3THz频率范围内,该光纤具有较低的损耗和色散。随后,Masahiro等人报道了采用聚四氟乙烯材料制作的太赫兹保偏光纤,其损耗系数较低、且易于制备。Gong等人对太赫兹空芯光子晶体光纤进行了研究,发现其具有很宽的光子带隙。2009年,Nielsen等人报道了一种由聚合物材料Topas(环烯烃共聚物)制作的低损耗太赫兹光子晶体光纤。Topas是一种柔软的聚合物材料,在太赫兹波段具有低损耗,且易于弯曲等优点。这种光纤在很宽的频率范围内都能够实现单模运转,且具有极低的损耗和材料色散。
[0004]在太赫兹领域,应用基于光子晶体光纤的功能器件,能够实现线上操作,降低连接损耗,从而使太赫兹系统向柔性、小型化和轻便的方向发展。基于光子晶体光纤的太赫兹调制器、滤波器、光开关、定向耦合器、光纤传感器等器件,在太赫兹领域有着广泛的应用潜力。
发明内容
[0005]本发明针对以往微流体光纤传感器在带宽、灵敏度等方面的局限,基于双芯光子晶体光纤的匹配耦合效应,提出了一种太赫兹宽带超灵敏微流体传感器。
[0006]所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器,由包层、左右两个纤芯和涂覆层组成。其中左芯为输入端口,右芯为输出端口。光纤横截面结构为聚合物材料内设若干空气孔,其中包层由三角晶格排列、大小一致的圆形空气孔组成。左芯由大小不一致的椭圆空气孔组成。纤芯微结构的占空比(空气孔面积/材料面积)小于包层,因此本发明所述光纤为折射率引导型光子晶体光纤。
[0007]所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器,为提高器件的折射率灵敏度,在光纤左芯引入满足等差分层条件的亚波长椭圆微空气孔。右芯内填充待测量微流体。左芯非对称微结构用于形成高模式双折射,从而更好的匹配输入端THz波的线偏振特性。
[0008]等差分层设计,即在光纤横截面上,纤芯微结构分为多层,微结构基本单元为椭圆,中心椭圆的短半轴为r,每向外一层,椭圆的短半轴尺寸增大固定长度∆r。
[0009]所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器,左芯微结构设计的目的是为引入高模式双折射,因此纤芯微结构也可设计为其他非对称结构,如矩形孔、圆孔四方晶格阵列、圆孔对阵列、类领结结构等。
[0010]所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器,当右芯中填充某一特定折射率的微流体,由于两芯色散曲线的斜率不同,两芯基模Y偏振模式的色散曲线仅有一个交点。在交点处,两芯Y偏振将会发生强烈耦合。左芯中只有某一特定频率的太赫兹波会耦合到右芯。也就是说,在工作频率范围内,右芯某一折射率的微流体,仅能匹配左芯某一特定频率的太赫兹波。通过在右芯输出端口测量太赫兹波的频率,即可精确求得微流体的折射率。同时,由于入射太赫兹波具有宽带特性,因此本发明所述微流体传感器也具有宽带特性。
[0011]所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器,可选基底材料包括但不限于以下聚合物材料:PP(聚丙烯),HDPE(高密度聚乙烯),ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物),PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯),TOPAS(环烯烃类聚合物)。
[0012]作为优选,光纤包层采用三角晶格排列的圆形空气孔设计。
[0013]作为优选,左芯微结构基本单元设计为椭圆。
[0014]作为优选,左芯微结构为三角晶格排列。
[0015]作为优选,光纤基底材料选择Topas。
[0016]本发明具备以下优点:1. 模式耦合仅发生在两芯色散曲线交点处,因此该传感器能够对微流体折射率的微小变化进行精确检测;2. 由于入射太赫兹波具有宽带特性,因此本发明所述微流体传感器同样具有宽带特性;3. 由于左芯采用等差分层微结构设计,有效增大了模式双折射,从而更好的匹配输入端THz波的线偏振特性;4.随着3D打印技术的广泛应用,基于复杂微结构纤芯的各种光纤器件将更容易被制造。因此,所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器,在对于传感和测量有高精度要求的生物、化学、医药等领域有非常广阔的应用前景。
附图说明
[0017]图1是基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器100的实例示意图:该器件由涂覆层12、包层11、左芯13和右芯14组成。其中左芯13为输入端口,右芯14为输出端口。
[0018]图2是太赫兹超灵敏微流体传感器横截面示意图。
[0019]图3是太赫兹超灵敏微流体传感器左芯微结构横截面示意图。
[0020]图4是当右芯微流体不同的折射率变化,对应两芯基模Y偏振模式的色散曲线。
[0021]图5是色散曲线局部放大,交点在1THz两芯的色散曲线,对应液体折射率为1.37108。
[0022]图6是当微流体折射率n=1.37108,入射太赫兹波频率为0.99THz, 1THz和1.01THz时两芯基模Y偏振模式的模场分布。
[0023]图7是右芯输出端口处太赫兹波频率与待测微流体折射率的关系。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。
[0025]实例:基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏折射率传感器100,其基本结构由涂覆层12、包层11、左芯13和右芯14组成,其中左芯13为输入端口,右芯14为输出端口。
[0026]包层由三角晶格排列的圆形空气孔21组成,空气孔的直径D=420μm,晶格常数L=450μm。
[0027]左芯13微结构采用等差分层设计,由三角晶格排列的椭圆空气孔组成,晶格常数l=40μm,椭圆长半轴和短半轴为a和b,a:b=3:1。设b=r,则a=3r。中心微结构椭圆30短轴长度为3μm,第一层微结构31椭圆短轴长度为4μm,第二层微结构32椭圆短轴长度为5μm,第三层微结构33椭圆短轴长度为6μm,第四层微结构34椭圆短轴长度为7μm,第五层微结构35椭圆短轴长度为8μm。
[0028]在右芯中引入特定折射率的微流体,由于两芯色散曲线的斜率不同,两芯基模Y偏振模式的色散曲线仅有一个交点。在交点处,左芯中只有某一特定频率的太赫兹波会耦合到右芯。也就是说,在工作频率范围内,右芯某一折射率的微流体,仅能匹配左芯某一特定频率的太赫兹波。通过在右芯输出端口测量太赫兹波的频率,即可精确求得微流体的折射率。同时,由于入射太赫兹波具有宽带特性,因此本发明所述微流体传感器也具有宽带特性。该器件的工作带宽为0.5-1.5THz,测得折射率范围为1.36149- 1.380665。在1THz附近,器件的灵敏度为51.22THz/RIU。
[0029]在本实例中光纤基底材料22选择环烯烃类聚合物TOPAS,TOPAS在太赫兹波段具有相对恒定的折射率1.53。
[0030]光纤制造可以采用两种方式。太赫兹光纤器件微结构尺寸较大,因此可以采用以聚合物为基材的3D打印方式来进行光纤的制作。也可以采用传统光纤拉制方法:用形状相同,但空心尺寸不同的聚合物波导管,分层密堆积的方式来制作光纤的预制棒,拉制后也能得到类似的微结构。