基于光子晶体光纤的折射率传感器

1.基于光子晶体光纤的折射率传感器，包括光源、单模光纤、光子晶体光纤和图像传感器，其特征在于：光源的输出端与单模光纤的一端光连接，单模光纤的另一端与光子晶体光纤的一端光连接，光子晶体光纤的另一端正对图像传感器；
所述的光子晶体光纤包括纤芯、空气孔层和包层；所述的纤芯内部中空，纤芯的折射率为1，纤芯直径为10μm；所述的空气孔层位于包层中且至少有一层空气孔层，每层空气孔层围绕纤芯中心分布，每层空气孔层呈正六边形，所述的空气孔层由多个空气孔组成，每个空气孔的折射率为1，空气孔的直径为10μm，相邻空气孔的孔间距与空气孔的直径相同；
所述的包层材料为二氧化硅；
所述的纤芯与最内层空气孔层中空气孔的最小中心距为17.32μm，所述的纤芯与最内层空气孔层中空气孔的最大中心距为20μm。
2.基于光子晶体光纤的折射率传感器,包括宽带光源、单模光纤、光子晶体光纤、第一3dB光纤耦合器、第二3dB光纤耦合器和光谱仪，其特征在于：宽带光源与第一3dB光纤耦合器一侧的一个端口光连接，第一3dB光纤耦合器另一侧的两个端口分别与光子晶体光纤的一端、单模光纤的一端光连接；光子晶体光纤的另一端、单模光纤的另一端分别与第二
3dB光纤耦合器一侧的两个端口光连接，第二3dB光纤耦合器另一侧的一个端口与光谱仪光连接；
所述的光子晶体光纤包括纤芯、空气孔层和包层；所述的纤芯内部中空，纤芯的折射率为1，纤芯直径为10μm；所述的空气孔层位于包层中且至少有一层空气孔层，每层空气孔层围绕纤芯中心分布，每层空气孔层呈正六边形，所述的空气孔层由多个空气孔组成，每个空气孔的折射率为1，空气孔的直径为10μm，相邻空气孔的孔间距与空气孔的直径相同；
所述的包层材料为二氧化硅；
所述的纤芯与最内层空气孔层中空气孔的最小中心距为17.32μm，所述的纤芯与最内层空气孔层中空气孔的最大中心距为20μm。

基于光子晶体光纤的折射率传感器\n技术领域\n[0001] 本发明属于光子晶体光纤传感技术领域，涉及一种基于光子晶体光纤的折射率传感器。\n背景技术\n[0002] 近年来，随着科技的进步，人们对传感器的要求越来越来高，光纤传感器以其本身优点在科研和工业应用中一直占有重要的地位。\n[0003] 在传统的光纤传感器应用中，包括长周期光纤光栅传感器和布拉格光纤光栅传感器等，由于其具有对环境温度的敏感性，对折射率等物理量传感时交叉影响较为严重，将导致传感精度不理想。同时，传统光纤传感器只能用于测量折射率小于包层的液体，在对高折射率液体的测量中将失效。\n[0004] 光子晶体光纤(PCF)是一种新型光纤且具备优良的光学特性，在其包层中分布着周期性排列、沿光纤轴向伸展的空气孔,可以通过灵活改变空气孔的大小、形状、位置分布来设计出具有各种特殊性质的PCF。光子晶体光纤具有很好的结构特性和模式特性，可以实现对温度、应力、环境折射率和弯曲等物理量的传感。光子晶体光纤传感器不仅与传统光纤传感器一样，具有精度高、传感范围大和抗外界干扰等优点，还具有对环境温度的不敏感性，并且可用于测量高折射率液体以及高传感精度的微量检测。现已实现了多种基于光子晶体光纤的传感器。但是，目前的报道都是通过使用宽带光源和光谱仪检测谐振波峰（谷）的波长变化来实现对应力或温度的传感。\n[0005] 在综上所述的研究中，现有传感技术较少涉及对对高折射率液体的测量领域，限制了光纤传感器的应用范围。\n发明内容\n[0006] 本发明针对传统光纤折射率传感器对高折射率液体测量失效、耗费待测液体等问题，提供了一种可用于高折射率液体微量测量的特殊结构的光子晶体光纤，并进一步提供了基于该光子晶体光纤的折射率传感器。\n[0007] 本发明解决技术问题所采取的技术方案为:\n[0008] 本发明的第一种技术方案：基于光子晶体光纤的折射率传感器，包括光源、单模光纤、光子晶体光纤和图像传感器。光源的输出端与单模光纤的一端光连接，单模光纤的另一端与光子晶体光纤的一端光连接，光子晶体光纤的另一端正对图像传感器。\n[0009] 本发明的第二种技术方案：基于光子晶体光纤的折射率传感器,包括宽带光源、单模光纤、光子晶体光纤、第一3dB光纤耦合器、第二3dB光纤耦合器和光谱仪。宽带光源与第一3dB光纤耦合器一侧的一个端口光连接，第一3dB光纤耦合器另一侧的两个端口分别与光子晶体光纤的一端、单模光纤的一端光连接；光子晶体光纤的另一端、单模光纤的另一端分别与第二3dB光纤耦合器一侧的两个端口光连接，第二3dB光纤耦合器另一侧的一个端口与光谱仪光连接。\n[0010] 上述两种技术方案中所述的光子晶体光纤包括纤芯、空气孔层和包层；所述的纤芯内部中空，纤芯的折射率为1，纤芯直径为10μm；所述的空气孔层位于包层中且至少有一层空气孔层，每层空气孔层围绕纤芯中心分布，每层空气孔层呈正六边形，所述的空气孔层由多个空气孔组成，每个空气孔的折射率为1，空气孔的直径为10μm，相邻空气孔的孔间距与空气孔的直径相同；所述的包层材料为二氧化硅。\n[0011] 所述的纤芯与最内层空气孔层中空气孔的最小中心距为17.32μm，所述的纤芯与最内层空气孔层中空气孔的最大中心距为20μm。\n[0012] 本发明所具有的有益效果为：利用传感精度高的光子晶体光纤折射率传感装置，使得本发明对不同折射率液体测量的灵敏度提高，尤其是能应用于对高折射率液体的微量测量。采用可见光CMOS图像传感系统显示峰值功率变化，使折射率传感器的成本大大降低；采用光谱仪检测峰值波长移动，使测量方法简单、方便、快捷，大大增强了传感器的实用性。\n附图说明\n[0013] 图1为本发明中光子晶体光纤结构示意图。\n[0014] 图2为本发明第一实施例结构示意图。\n[0015] 图3为本发明第二实施例结构示意图。\n具体实施方式\n[0016] 下面结合附图对本发明进一步描述。\n[0017] 图1示出了本发明中光子晶体光纤的结构，包括纤芯1、空气孔层2和包层3。纤芯1的内部中空，纤芯1的折射率为1，直径为10μm。空气孔层2位于包层中，本实施例中的空气孔层共有三层，每个空气孔层2由多个空气孔构成，呈空气孔层2呈正六边形并以纤芯为中心。每个空气孔的折射率为1，直径为10μm，相邻空气孔的孔间距与空气孔的直径相同。包层3材料为二氧化硅，折射率为1.45。纤芯与最内层空气孔层中空气孔的最小中心距d为17.32μm，最大中心距m为20μm。\n[0018] 图2示出了本发明的第一实施例，基于光子晶体光纤折射率传感器包括可见光LED光源4、单模光纤5、光子晶体光纤6、CMOS图像传感器7。可见光LED光源4光纤与单模光纤5的一端连接，单模光纤5的另一端与光子晶体光纤6连接，光子晶体光纤6的另一端与CMOS图像传感器7的接收器距离为5cm。\n[0019] 图2所示的折射率传感器工作方式为：将待测液体注入光子晶体光纤的空气孔中，将光子晶体光纤与单模光纤连接，可见光LED光源发出的光经过单模光纤后射入光子晶体光纤，由于光子晶体光纤中空气孔的折射率发生变化，使经光子晶体光纤传输后的光能量发生改变，其透射光斑经5cm的距离放大后被COMS图像传感器的接收器接收，在CMOS中显示透射光的功率分布图，根据透射光的峰值功率得到光子晶体光纤中的液体折射率。\n该装置正是通过监测透射光功率的变化来检测PCF中空气孔内液体折射率的变化，实现PCF折射率传感。\n[0020] 图2所示的折射率传感器采用尺寸为1/3英寸、分辨率为640×480像素的COMS图像传感器获取透射光峰值功率，测量范围为1.45～1.8时，该折射率传感器的分辨率达-6\n到3.657 10 。\n[0021] 图3示出了本发明的第二实施例，基于光子晶体光纤折射率传感器包括宽带光源\n8、3dB光纤耦合器9、光子晶体光纤10、单模光纤11、光谱仪12。宽带光源8光纤与左侧的\n3dB光纤耦合器9入射端的一个端口连接，左侧3dB光纤耦合器9出射端的两个端口分别与光子晶体光纤10的一端、单模光纤11的一端连接，光子晶体光纤10的另一端、单模光纤\n11的另一端与右侧3dB光纤耦合器9入射端的两个端口连接，右侧3dB光纤耦合器9出射端端口与光谱仪12连接。\n[0022] 图3所示的折射率传感器的工作方式为：将待测液体注入光子晶体光纤的空气孔中，宽带光源的光通过3dB光纤耦合器后被分为光能量1:1的两束光，一束作为参考光进入单模光纤中，另一束作为信号光进入光子晶体光纤。由于光子晶体光纤的纤芯和空气孔中的折射率发生改变，使其基模有效折射率发生改变，从而使光在其中传输后相位将发生改变。经光子晶体光纤后出射的光与经单模光纤出射的光之间存在相位差，成为相干光。将此相干光输入光谱仪，可以观察到由相位差引起的光谱中波峰或波谷的移动。因此可以通过检测光谱中波峰的移动得到折射率差，从而得到光子晶体光纤中待测液体的折射率。该装置正是通过监测透射光的光波长的漂移来检测PCF中空气孔内液体折射率的变化，实现PCF折射率传感。\n[0023] 图3所示的折射率传感器采用分辨率为0.02nm的光谱仪获取透射光谱，测量范围-6\n为1.45～1.8时，该折射率传感器的分辨率达到6.41 10 。