專利名稱：一種太赫茲多孔光纖倏逝波傳感器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特殊纖芯塑料多孔光纖，特別是一種太赫茲多孔光纖倏逝波傳感器件。
背景技術(shù)：
太赫茲波介于毫米波與紅外輻射之間，處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，也是電子學(xué)向光子學(xué)的過渡領(lǐng)域，其頻率在0. ITHZ到10THZ之間，即波長(zhǎng)在0. 03mm到 3_范圍內(nèi)。太赫茲波具有很多優(yōu)越的特性，已被廣泛用于物體成像、光譜分析、醫(yī)療診斷、 材料分析測(cè)試、環(huán)境檢測(cè)以及通訊雷達(dá)等領(lǐng)域。近年來國(guó)際上掀起太赫茲研究熱，各種功能的太赫茲波導(dǎo)和傳感器件隨之應(yīng)運(yùn)而生。多孔光纖是在傳統(tǒng)的孔光纖和光子晶體光纖的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一系列的新型光纖，包括光子帶隙光纖、晶體光纖、空氣-包層光纖、高A值微孔光纖等。以多孔光纖作為傳感探頭的光纖化學(xué)傳感器是一種剛剛興起的低損耗、低色散、高靈敏度的傳感器，它不受微波和電磁的干擾、傳輸功率損耗小、傳輸信息容量大、可用于遠(yuǎn)距離的遙測(cè)和某些特殊環(huán)境的分析。普通石英光纖材料在太赫茲波的傳輸中損耗很大，所以新型塑料材料光纖器件應(yīng)運(yùn)而生，包括聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等，本文選擇聚甲基丙烯酸甲酯，因?yàn)閷?duì)于所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)其色散和損耗都很低。用于太赫茲波導(dǎo)的多孔光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)在毫米量級(jí)，相對(duì)于可見光或者紅外波段的多孔光纖更容易制備。以往人們都是通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高傳統(tǒng)光纖倏逝波傳感器靈敏度，有D形、錐形、纖芯裸露形、纖芯失配型和微結(jié)構(gòu)光纖等，或者根據(jù)模式比配原理通過計(jì)算錐形區(qū)長(zhǎng)度、纖芯半徑和入射角來達(dá)到較高靈敏度，但這種方法靈敏度提高不明顯，最主要的是在大部分光被限制在整個(gè)實(shí)的纖芯中材料吸收損耗和波導(dǎo)色散很大，無疑給傳感器精確度帶來很大影響。有必要研究一種低損耗、低色散而且高靈敏度的光纖結(jié)構(gòu)用作倏逝波傳感器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是解決以往的傳統(tǒng)光纖倏逝波傳感器損耗大、色散大、靈敏度低的問題，提出一種低損耗、低色散且高靈敏度的太赫茲多孔光纖倏逝波傳感器件。本發(fā)明的技術(shù)方案一種太赫茲多孔光纖倏逝波傳感器件，纖芯為聚甲基丙烯酸甲酯材料，在纖芯中均布沿軸向呈正三角形周期性排列的亞波長(zhǎng)空氣孔，包層由位于纖芯外部的待測(cè)氣體或液體構(gòu)成，利用纖芯與包層界面處的倏逝波實(shí)現(xiàn)傳感特性。所述聚甲基丙烯酸甲酯的折射率為I. 6。所述纖芯中空氣孔的直徑為0. 08mm,孔間距為0. Imm,纖芯直徑為0. 7mm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果該傳感器件在實(shí)心纖芯中增加一系列沿軸向呈正三角周期性排列的亞波長(zhǎng)空氣孔，有效降低了基模有效折射率，減小材料吸收損耗和波導(dǎo)色散，提高相對(duì)靈敏度；用于倏逝波傳感不用對(duì)光纖進(jìn)行任何處理就可以作為傳感器探頭，機(jī)械可靠性高，加工成本低；該傳感器件用于傳感區(qū)域位于光纖外部，不用像光子晶體光纖傳感區(qū)域在內(nèi)部空氣孔中那樣將被測(cè)物填入，檢測(cè)時(shí)間相對(duì)減少，當(dāng)用于生物熒光檢測(cè)時(shí)可以方便對(duì)光纖表面進(jìn)行處理， 且不會(huì)影響探頭的可靠性。


圖I是該多孔光纖截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.纖芯 2.空氣孔
圖2是該多孔光纖與相等纖芯直徑傳統(tǒng)光纖在波長(zhǎng)為I. 4mm時(shí)的光功率流分布圖。
圖3是多孔光纖與相等纖芯直徑傳統(tǒng)光纖有效折射率對(duì)比曲線。
圖4是多孔光纖與相等纖芯直徑傳統(tǒng)光纖相對(duì)靈敏度對(duì)比曲線。
圖5是該多孔光纖傳感器件的波導(dǎo)色散曲線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I :
一種太赫茲多孔光纖倏逝波傳感器件，如圖I所示，纖芯I為折射率I. 6的聚甲基
丙烯酸甲酯材料，在纖芯I中均布沿軸向呈正三角形周期性排列的亞波長(zhǎng)空氣孔2，空氣孔的直徑為O. 08mm，孔間距為O. 1mm，纖芯直徑為O. 7mm，包層由位于纖芯外部的待測(cè)氣體或液體構(gòu)成，利用纖芯I與包層界面處的倏逝波實(shí)現(xiàn)傳感特性。圖2為該結(jié)構(gòu)多孔光纖倏逝波傳感器件以及與相等纖芯直徑的傳統(tǒng)光纖在波長(zhǎng) λ = I. 4mm時(shí)的模場(chǎng)分布COMSOL模擬對(duì)比圖，其中a表示多孔光纖在該波長(zhǎng)下的光功率流分布模擬圖，b代表與多孔光纖纖芯直徑相等的傳統(tǒng)光纖的相應(yīng)圖。由a、b對(duì)比圖可以看出多孔光纖泄露在包層待測(cè)物中的光功率即倏逝波明顯多于傳統(tǒng)光纖，所以靈敏度提高， 并且多孔光纖纖芯中大部分的能量集中在空氣孔中，而空氣對(duì)太赫茲波幾乎是透明的，這樣又減小了色散，降低了材料吸收損耗，改善該傳感器性能。圖3是多孔光纖與相等纖芯直徑傳統(tǒng)光纖有效折射率對(duì)比曲線。在多孔光纖纖芯中周期性亞波長(zhǎng)空氣孔的存在使纖芯等效折射率明顯減小，從而基模有效折射率也相應(yīng)明顯降低，在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)多孔光纖的模式有效折射率不超過I. 2，總體上都和空氣折射率
I.O接近，而傳統(tǒng)光纖從聚甲基丙烯酸甲酯材料折射率I. 6附近起隨波長(zhǎng)增加遞減，可見多孔光纖有效降低模式有效折射率，從而提高傳感器的相對(duì)靈敏度。圖4是多孔光纖與相等纖芯直徑傳統(tǒng)光纖相對(duì)靈敏度對(duì)比曲線，從圖中明顯可以看出多孔光纖的相對(duì)靈敏度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光纖，最大在波長(zhǎng)λ = I. 4mm時(shí)幾乎可達(dá)到 50%，因?yàn)槔w芯中空氣孔的存在使纖芯與包層的有效折射率差減小，從而對(duì)傳輸光束縛減弱，相對(duì)靈敏度提高。另外空氣孔使多孔光纖中材料吸收損耗和散射損耗降低，這樣也對(duì)靈敏度的增加有幫助。用有限元軟件模擬出模式有效折射率以后，再通過matlab最小二乘法擬合得到波長(zhǎng)在O. 5mm到I. 4mm內(nèi)的波導(dǎo)色散曲線，如圖5所示，在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)多孔光纖色散曲線較傳統(tǒng)光纖平坦，基本上實(shí)現(xiàn)了超平坦的正色散，色散值大約在O. 7-1.5ps/(nm.km)范圍內(nèi)。而傳統(tǒng)光纖在短波長(zhǎng)O. 5-1. Omm內(nèi)是正色散，在長(zhǎng)波長(zhǎng)I. 0-1. 4mm范圍內(nèi)是負(fù)色散。 作為傳感器器件我們希望其色散曲線越平坦越好，這樣對(duì)測(cè)量誤差影響越小，而該多孔光纖基本滿足這一點(diǎn)，所以在傳感應(yīng)用中會(huì)占很大優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
1.一種太赫茲多孔光纖倏逝波傳感器件，其特征在于纖芯為聚甲基丙烯酸甲酯材料，在纖芯中均布沿軸向呈正三角形周期性排列的亞波長(zhǎng)空氣孔，包層由位于纖芯外部的待測(cè)氣體或液體構(gòu)成，利用纖芯與包層界面處的倏逝波實(shí)現(xiàn)傳感特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述太赫茲多孔光纖倏逝波傳感器件，其特征在于所述聚甲基丙烯酸甲酯的折射率為1.6。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述太赫茲多孔光纖倏逝波傳感器件，其特征在于所述纖芯中空氣孔的直徑為O. 08mm,孔間距為O. Imm,纖芯直徑為O. 7mm。
全文摘要
一種太赫茲多孔光纖倏逝波傳感器件，纖芯為聚甲基丙烯酸甲酯材料，在纖芯中均布沿軸向呈正三角形周期性排列的亞波長(zhǎng)空氣孔，包層由位于纖芯外部的待測(cè)氣體或液體組成，利用纖芯與包層界面處的倏逝波實(shí)現(xiàn)傳感特性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該傳感器件在實(shí)心纖芯中增加一系列沿軸向呈正三角周期性排列的亞波長(zhǎng)空氣孔，有效降低了基模有效折射率，減小材料吸收損耗和波導(dǎo)色散，提高相對(duì)靈敏度；用于倏逝波傳感不用對(duì)光纖進(jìn)行任何處理就可以作為傳感器探頭，機(jī)械可靠性高，加工成本低，用于傳感區(qū)域位于光纖外部，檢測(cè)時(shí)間相對(duì)減少，用于生物熒光檢測(cè)時(shí)可以方便對(duì)光纖表面進(jìn)行處理，且不會(huì)影響探頭的可靠性。
文檔編號(hào)G01D5/26GK102607610SQ20121006326
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者任廣軍, 吳玉登, 孟慶瑩, 沈遠(yuǎn), 胡海燕, 董莉 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)