一种探测光子晶体光纤及光纤传感器的制作方法

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种探测光子晶体光纤及光纤传感器。

背景技术：

高精度、超灵敏、超宽带是光纤传感技术发展的主要方向，无论在促进科学研究，还是在推动社会和经济发展方面都有十分重要的意义。而基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感技术是近年来国际上兴起的一种新型而又先进的检测技术，它因具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、电绝缘、体积小、重量轻、对被测物质影响小、外形可变、测量对象广泛、便于成网、可用于远程测量等优点而被广泛应用于安全生产、生物医学、药物筛选、食品安全、航空航天、环境检测、国防科技等诸多领域。基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感技术的工作原理是入射光在光子晶体光纤和金属交界面处发生内全反射时形成的倏逝波会引发金属表面的自由电子相干振荡，进而产生表面等离子体波。当倏逝波与表面等离子体波发生共振耦合时，能量会从光子转移到表面等离子体中，这样等离子体波就可以吸收入射光的大部分能量，从而导致检测到的透射光强被大幅减弱，形成一个最低峰值，最后通过测量待测分析物的共振波长或损耗峰的位置来达到检测未知物质属性的目的。

如今，基于表面等离子体共振的非保偏折射率导引型光子晶体光纤传感器主要存在灵敏度还不够高，其波长灵敏只有10³nm/riu量级的不足。因此，现有的光纤传感器存在灵敏度低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种探测光子晶体光纤及光纤传感器，解决了光纤传感器灵敏度低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种探测光子晶体光纤，包括：光纤主体、样品通道、镀膜和空气孔；

所述样品通道设置在所述光纤主体内部，所述样品通道与所述光纤主体同轴设置且所述样品通道位于所述光纤主体的中心；所述样品通道用于放置待测液体；

所述镀膜紧贴所述样品通道的内表面，所述镀膜用于产生表面等离子体波；

所述空气孔设置在所述光纤主体内部，所述空气孔的数量为多个，多个所述空气孔的中心轴与所述光纤主体的中心轴平行；

多个所述空气孔按照正六边形排列在所述样品通道周围；

多个所述空气孔排列成四层正六边形，第一层正六边形以所述样品通道为中心排列在所述样品通道周围，第二层正六边形设于所述第一层正六边形外，第三层正六边形设于所述第二层正六边形外，第四层正六边形设于所述第三层正六边形外；

在所述第二层正六边形的预设数量的所述空气孔中填充待测液体，且填充待测液体的预设数量的所述空气孔对称设置，所述填充待测液体的预设数量的所述空气孔的半径小于未填充待测液体的所述空气孔的半径。

可选的，所述光纤主体的衬底材料为纯石英。

可选的，所述样品通道的横截面为圆形，所述样品通道的半径为1微米。

可选的，所述镀膜的材料为氧化铟锡；

所述镀膜的厚度为40纳米-60纳米。

可选的，所述空气孔的横截面为圆形，所述空气孔的半径为0.5微米。

可选的，所述填充待测液体的预设数量的所述空气孔的半径为0.05微米-0.45微米，所述预设数量为四个。

可选的，所述光纤主体的横截面为圆形，所述光纤主体的半径为9.5微米-11微米。

一种光纤传感器，包括：光源、起偏器、耦合光学透镜、光谱分析仪和上述的探测光子晶体光纤；

所述光源用于提供稳定输出的连续入射光波；

所述起偏器位于所述光源的第一出射光路上；所述起偏器用于调整所述入射光波的偏振态；

所述耦合光学透镜位于所述起偏器的第二出射光路上；所述耦合光学透镜用于将所述第二出射光路耦合到所述探测光子晶体光纤；

所述探测光子晶体光纤位于所述耦合光学透镜的焦点上；所述探测光子晶体光纤用于放置待测样品；

所述光谱分析仪与所述探测光子晶体光纤的输出端连接；所述光谱分析仪用于对入射到所述光谱分析仪中的透射光波的吸收峰进行分析。

可选的，所述连续入射光波的波长范围为1300纳米-3500纳米。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种探测光子晶体光纤及光纤传感器，包括：光纤主体、样品通道、镀膜和空气孔。该探测光子晶体光纤只包括一个样品通道，在样品通道的内表面镀氧化铟锡膜，在样品通道周围填充待测液体的空气孔为纤芯，在样品通道周围设置的多个纤芯可以提高入射光波对表面等离子体模和纤芯模的模有效折射率的影响，使得设有该探测光子晶体光纤的光纤传感器能够实现10⁴nm/riu量级的波长灵敏度，本发明的光纤传感器具有灵敏度高的优点。本发明所选的镀膜材料为氧化铟锡，可以降低探测光子晶体光纤和光纤传感器的制作成本；该光纤传感器还能同时实现近中红外和中红外波段(1400nm～2800nm)的传感，进一步扩大了光纤传感器的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所提供的探测光子晶体光纤的横截面图；

图2为本发明实施例2所提供的光纤传感器的结构图。

其中，1、光纤主体；2、样品通道；3、镀膜；4、空气孔；5、第一纤芯；6、第二纤芯；7、第三纤芯；8、第四纤芯；9、光源；10、起偏器；11、耦合光学透镜；12、探测光子晶体光纤；13、光谱分析仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例1提供一种探测光子晶体光纤，图1为本发明实施例1所提供的探测光子晶体光纤的横截面图。参见图1，该探测光子晶体光纤包括：光纤主体1、样品通道2、镀膜3和空气孔4。

光纤主体1的衬底材料为纯石英。光纤主体1的横截面为圆形，光纤主体1的半径为9.5微米-11微米。

样品通道2设置在光纤主体1内部，样品通道2与光纤主体1同轴设置且样品通道2位于光纤主体1的中心；样品通道2的横截面为圆形，样品通道2的半径为1微米。样品通道2用于放置待测液体。

镀膜3紧贴样品通道2的内表面，镀膜3的材料为氧化铟锡；镀膜3的厚度为40纳米-60纳米。在样品通道2的内表面镀一层厚度为40-60纳米的氧化铟锡，可以用来产生表面等离子体波。

空气孔4设置在光纤主体1内部，空气孔4的数量为多个，多个空气孔4的中心轴与光纤主体1的中心轴平行，空气孔4的横截面为圆形，空气孔4的半径为0.5微米。

多个空气孔4按照正六边形排列在样品通道2周围。

多个空气孔4排列成四层正六边形，第一层正六边形以样品通道2为中心排列在样品通道2周围，第二层正六边形设于第一层正六边形外，第三层正六边形设于第二层正六边形外，第四层正六边形设于第三层正六边形外。多个空气孔4中任意两个相邻空气孔4之间的中心间距为1.8微米-2.2微米。第一层正六边形与第二层正六边形之间的距离等于第二层正六边形与第三层正六边形之间的距离等于第三层正六边形与第四层正六边形之间的距离，距离为1.56微米-1.91微米。

在第二层正六边形的预设数量的空气孔4中填充待测液体，且填充待测液体的预设数量的空气孔4对称设置，填充待测液体的预设数量的空气孔4的半径小于未填充待测液体的空气孔4的半径，填充待测液体的预设数量的空气孔4的半径为0.05微米-0.45微米。

本实施例1中预设数量为四个，即填充待测液体的预设数量的空气孔为四个，四个填充待测液体的空气孔作为该探测光子晶体光纤的四个纤芯。本实施例1中四个纤芯分别位于样品通道的上方、下方、左方和右方，即第一纤芯5位于样品通道的上方，第二纤芯6位于样品通道的下方，第三纤芯7位于样品通道的左方，第四纤芯8位于样品通道的右方。

本实施例1的探测光子晶体光纤中四个纤芯位于第二层正六边形可以增强表面等离子体模和纤芯基模之间的耦合作用；所选的镀膜金属为氧化铟锡，可以降低探测光子晶体光纤的制作成本。

实施例2

本实施例2提供一种光纤传感器，图2为本发明实施例2所提供的光纤传感器的结构图。参见图2，该光纤传感器包括：光源9、起偏器10、耦合光学透镜11、光谱分析仪13和实施例1的探测光子晶体光纤12。

光源9用于提供稳定输出的连续入射光波。连续入射光波的波长范围为1300纳米-3500纳米。光源9优选西诺光学公司的electromir超连续谱光源。

起偏器10位于光源9的第一出射光路上；起偏器10用于调整入射光波的偏振态。

耦合光学透镜11位于起偏器10的第二出射光路上；耦合光学透镜11用于将第二出射光路耦合到探测光子晶体光纤12。

探测光子晶体光纤12位于耦合光学透镜11的焦点上；探测光子晶体光纤12用于放置待测样品。

光谱分析仪13与探测光子晶体光纤12的输出端连接；光谱分析仪13用于对入射到光谱分析仪13中的透射光波的吸收峰进行分析，以及监测探测光子晶体光纤12中表面等离子体共振信号的实时变化。

该光纤传感器还包括：光纤夹(图2中未示出)、三维光纤调节架(图2中未示出)和光学平台(图2中未示出)。

光源9、起偏器10、耦合光学透镜11、光谱分析仪13和三维光纤调节架均固定在光学平台上，光学平台用于固定光纤传感器。

探测光子晶体光纤12放入光纤夹中压紧，将夹住探测光子晶体光纤12的光纤夹固定在三维光纤调节架上。三维光纤调节架用于固定探测光子晶体光纤12，以及在三维空间内调节探测光子晶体光纤12的位置。

本实施例2光纤传感器的工作过程为：采用液体的毛细现象将待测液体注入到探测光子晶体光纤的四个纤芯和样品通道内，使探测光子晶体光纤与耦合光学透镜共轴。起偏器将入射光调为x偏振光，并使探测光子晶体光纤的第一纤芯的中心轴与入射光的偏振方向平行。使探测光子晶体光纤的第一纤芯位于耦合光学透镜的焦点上，耦合光学透镜将入射光高效的耦合进探测光子晶体光纤的纤芯中，探测光子晶体光纤输出端的光谱分析仪进行实时监测。

本实施例2光纤传感器的工作原理为：当样品通道中待测液体的折射率减小时，表面等离子模和四个纤芯的纤芯基模的模有效折射率也会随待测液体的折射率减小而减小，但表面等离子体模的减小幅度要大于纤芯基模，耦合共振波长向短波长方向移动，从而导致输入到光谱分析仪中的透射光波的吸收峰产生蓝移。反之，当待测样品折射率增大时，由于表面等离子体模的模有效折射率的增大幅度要大于纤芯基模的，耦合共振波长向长波长方向移动，从而导致光谱分析仪中的透射吸收峰产生红移。因此，本发明所提供的基于探测光子晶体光纤的光纤传感器能够实时在线监测待测样品折射率的变化。

本实施例2的光纤传感器能同时实现近中红外和中红外波段(1400nm～2800nm)的传感，扩大了光纤传感器的应用范围。

本发明探测光子晶体光纤采用的四个纤芯和镀氧化铟锡样品通道的结构可以提高入射光波对表面等离子体模和纤芯模的模有效折射率的影响，进而光纤传感器能够实现10⁴每纳米的单位折射率(nm/riu)量级的波长灵敏度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。