《基于光子晶体光纤的折射率传感器.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于光子晶体光纤的折射率传感器.pdf（6页完整版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102279169 A (43)申请公布日 2011.12.14 CN 102279169 A *CN102279169A* (21)申请号 201110182556.3 (22)申请日 2011.07.01 G01N 21/41(2006.01) (71)申请人 中国计量学院 地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区学 源街 258 号 (72)发明人 赵春柳 章辰 王治强 裘燕青 金永兴 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 杜军 (54) 发明名称 基于光子晶体光纤的折射率传感器 (57) 摘要 本发明涉及一种基于光子晶体光。
2、纤的折射率 传感器。本发明一种技术方案包括光源、 单模光 纤、 光子晶体光纤和图像传感器。 本发明另一种技 术方案包括宽带光源、 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。 本发明中的光子晶体光纤包括纤芯、 空气孔层 和包层 ； 纤芯内部中空， 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， 包层材料为二氧化硅。 本发明利用传感精 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。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (1。
3、2)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 CN 102279174 A1/1 页 2 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 10m ； 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。
4、孔组成， 每个 空气孔的折射率为 1， 空气孔的直径为 10m， 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 17.32m， 所述的纤芯与最内 层空气孔层中空气孔的最大中心距为 20m。 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。
5、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 10m ； 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 10m， 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 17.32m，。
6、 所述的纤芯与最内 层空气孔层中空气孔的最大中心距为 20m。 权 利 要 求 书 CN 102279169 A CN 102279174 A1/3 页 3 基于光子晶体光纤的折射率传感器 技术领域 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。 背景技术 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。 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，。
7、 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。 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。
8、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。 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。 发明内容 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。 0007 本发明解决技术问题所采取的技术方案为 : 本发明的第一种技术方案 ： 基于光子晶体光纤。
9、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。 0008 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。
10、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。 说 明 书 CN 102279169 A CN 102279174 A2/3 页 4 0009 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 10m ； 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 10m， 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。 0010 所。
11、述的纤芯与最内层空气孔层中空气孔的最小中心距为 17.32m， 所述的纤芯与 最内层空气孔层中空气孔的最大中心距为 20m。 0011 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。 附图说明 0012 图 1 为本发明中光子晶体光纤结构示意图。 0013 图 2 为本发明第一实施例结构示意图。 0。
12、014 图 3 为本发明第二实施例结构示意图。 具体实施方式 0015 下面结合附图对本发明进一步描述。 0016 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 10m。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 10m， 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.。
13、32m， 最大中心距 m 为 20m。 0017 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。 0018 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。
14、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。 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。 0019 图 2 所示的折射率传感器采用尺寸为 1/3 英寸、 分辨率为 640480 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 说 明 书 CN 102279169 A。
15、 CN 102279174 A3/3 页 5 到 3.657 10-6。 0020 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 8、 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 3dB 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 11 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。
16、 12 连接。 0021 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。 0022 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 为 1.45 1.8 时， 该折射率传感器的分辨率达到 6.4110-6。 说 明 书 CN 102279169 A CN 102279174 A1/1 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102279169 A 。