[发明专利]一种光子晶体光纤和光子晶体光纤传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子晶体光纤和光子晶体光纤传感器，属于光子晶体光纤传感技术领域。

背景技术

上世纪80年代以来，光纤低损耗传输成为现实，将光纤技术用于传感逐渐成为传感器技术发展的前沿课题。与传统传感器相比，光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、灵敏度高、易于组成光纤传感网络等特点，在国防、通信、工业生产加工、生物医药的精密检测、光网络建设等领域展现出其强大优势。

光子晶体光纤又称为微结构光纤，通常含有不同排列形式的空气孔，因此其横截面上的折射率分布有可能比较复杂，是一种特殊形式的光纤。相对于普通光纤来说，光子晶体光纤具有许多优良特性，比如无截止单模传输、设计灵活、模场面积和非线性系数可控等。另外，由于光子晶体光纤内部含有空气孔，利用光子晶体光纤作为传感器，还具有无需封装、易于实现相位匹配等优势。目前，采用光子晶体光纤作为传感器的设计是国内外传感领域研究的一大热点。

光在金属与介质界面传播时，能够激发产生表面等离子体。当满足一定条件时，光纤的传导模式与产生的等离子体模式就能产生共振，表现为信号光被强烈吸收，传输的能量急剧下降，于是在透射光谱上就会出现非常明显的吸收峰。表面等离子体共振对介质环境十分敏感，当邻近的待测微流体的折射率发生微小变化时，吸收峰的位置将随之产生非常明显的移动。通过测量吸收峰的位置就能够实现对介质环境的实时传感。利用金属表面等离子体共振的高灵敏特性制成的传感器同样具有非常高的灵敏度，同时，由于大部分生物分子的折射率都介于1.33-1.42之间，因此该传感器可以广泛应用于生物医学目标生物分子的含量、分析生物分子结合过程的动力学以及药物与生物分子之间相互作用等的相关过程的检测，对传感器的发展具有非常重要的实际意义。

2006年A.Hassani等人首先提出基于光子晶体光纤表面等离子体共振传感的设计，其灵敏度能够达到10^-4RIU。随后，各种基于此思想的设计被逐渐提出来。然而，在众多的设计结构中，均存在需要在微米量级的空气孔中镀金属纳米薄膜和填充待测微流体的问题。然而,现有的基于光子晶体光纤的传感技术中，作为微流体通道的空气孔的直径过小或者过大。当空气孔的直径过小时，金属纳米镀膜和待测微流体的填充比较困难；当空气孔直径过大时，光子晶体光纤在测量波段的损耗将明显增大，不利于信号的传输。

发明内容

本发明的目的是提供一种光子晶体光纤和光子晶体光纤传感器，用以解决作为微流体通道的空气孔的直径过小时，金属纳米镀膜和待测微流体的填充比较困难；当空气孔直径过大时，光子晶体光纤在测量波段的损耗将明显增大，不利于信号的传输的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种光子晶体光纤，包括：包层、纤芯、至少一个位于包层中的空气孔。空气孔的横截面为扇形，空气孔的弧形面远离纤芯设置，空气孔的内壁上先镀有氟化钙薄膜，后镀有金纳米薄膜。

该光子晶体光纤包括4个大小相同的空气孔，空气孔围绕纤芯均匀分布。

空气孔的横截面为90°的扇形。

空气孔内侧靠近纤芯的部分的曲率半径为2μm，相邻空气孔间隔为200nm。

氟化钙薄膜的厚度为1μm，金纳米薄膜的厚度为40nm。

本发明的方案还包括一种光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤，该光子晶体光纤包括：包层、纤芯、至少一个位于包层中的空气孔。空气孔的横截面为扇形，空气孔的弧形面远离纤芯设置，空气孔的内壁上先镀有氟化钙薄膜，后镀有金纳米薄膜。

光子晶体光纤包括4个大小相同的空气孔，空气孔围绕纤芯均匀分布。

空气孔的横截面为90°的扇形。

空气孔内侧靠近纤芯的部分的曲率半径为2μm，相邻空气孔间隔为200nm。

氟化钙薄膜的厚度为1μm，金纳米薄膜的厚度为40nm。

本发明具有以下优点：

(1)光子晶体光纤为与常规光纤的外径尺寸一致,均为125μm，使得在光网络中光纤之间的耦合、熔接等操作能够非常方便的实现。

(2)由于大幅增大正方晶格光子晶体光纤包层中空气孔的直径，能够有效解决其它传感器中空气孔过小难以操作的问题，有利于实现金属纳米镀膜以及待测微流体填充，且操作中无需选择性镀膜，保证传感准确性。操作过程简单快速，能够实现对环境介质的实时传感测量。