D型环光子晶体光纤表面等离子体共振传感器

提出了一种中红外波段宽范围低折射率检测的D型环双芯光子晶体光纤表面等离子体共振传感器。该结构为一个D型环,并在其内外表面都沉积一层金属层。采用全矢量有限元方法分析了该传感器的性能。结果表明,该传感器可以在中红外波段实现低折射率传感,并具有高传感灵敏度特性。分析物的折射率可检测范围为1.20~1.38,平均波长灵敏度和最大波长灵敏度可分别达到13717 nm/RIU和21150 nm/RIU,分辨率可达到1.94×10^(-5) RIU。该传感器可在化学、生物以及环境检测等领域有重要的应用。

镀金表面光子晶体光纤温度传感特性仿真分析

【目的】针对表面等离子体共振(SPR)光子晶体光纤(PCF)温度传感器制作难度较大的问题,文章提出了一种D型结构PCF温度传感器,对其空气孔微结构及排布进行了设计,并采用在光纤抛光表面涂覆金层的方法来激发光纤SPR。【方法】采用乙醇作为温敏材料,将温敏效应作为温度传感机制,达到温度传感的效果。采用有限元分析方法分别对金层厚度和光纤椭圆空气孔尺寸进行仿真,分析不同条件下纤芯模式与表面等离子模式之间的耦合特性,优化传感器结构。【结果】对传感器温度特性进行仿真,在-80~80℃范围内,传感器温度灵敏度为3.4 nm/℃,线性度优于0.96963。【结论】文章所设计的温度传感器具有较宽的温度检测范围和良好的灵敏度与线性度,可应用于工业、农业和医学等领域的温度实时监测。

宽波段、大模场双包层光子晶体光纤结构设计及性能分析

设计了一种独特的双包层光子晶体光纤结构,由外包层的2层圆形空气孔及内包层的2层正八边形空气孔构成,芯材料为稀土掺杂铋的多组分玻璃。采用有限元法结合散射边界条件分析了该结构光子晶体光纤的模场面积、限制损耗、有效折射率、时均功率等特性。结果表明:在波长为1310 nm、1550 nm、1600 nm时对应的模场面积、限制损耗分别为726.5μm^(2)、1.24×10^(-8)dB.km^(-1);731.26μm^(2)、1.32×10^(-8)dB.km^(-1);732.28μm^(2)、1.72×10^(-8)dB.km^(-1)。其中在工作波长1550 nm的时均功率z分量最高可达313 W·m^(-2),可以为高功率激光器的增益介质作参考,为宽波段可调谐激光器提供新的选择。

高双折射椭圆纤芯类矩形排布光子晶体光纤的性能研究

高双折射光子晶体光纤具有较强的线偏振光保持能力,采用Bi_(2)O_(3)-GeO_(2)-Ga_(2)O_(3)多组分激光玻璃材料作为纤芯设计了独特结构的高双折射光子晶体光纤。运用有限元法结合完美边界条件,得出该光子晶体光纤在1.55μm和1.80μm波长下,双折射系数分别为5.207×10^(-2)和6.882×10^(-2)。在1.55μm波长处,X和Y极化方向的限制损耗分别为1.386×10^(-5)dB/km和5.386×10^(-7)dB/km。非线性系数表明,结构参数M(D/Λ)分别为0.7和0.8的光子晶体光纤,非线性系数在X和Y极化方向上,范围分别在4.374×10^(3)-4.906×10^(3)km^(-1)·W^(-1)和5.621×10^(3)-6.978×10^(3)km^(-1)·W^(-1)之间。本文所设计的高双折射光子晶体光纤的独特结构和优异性能特点,为光通信和光传感等应用领域提供了新的解决方案。

基于表面等离激元共振具有高消光比的光子晶体光纤偏振滤波器

本文提出一种新型光子晶体光纤偏振滤波器,利用有限元方法对其偏振滤波特性进行了模拟分析.该滤波器使用一矩形镀金空气孔取代常用的圆形空气孔,模拟结果证明这种结构可以改变纤心中传输的两个正交偏振模式在金属表面所激发的表面等离激元共振波长之间的间隔及耦合效率,从而在一个偏振模式的约束损耗可忽略不计的情况下,另外一个偏振模式具有较大的约束损耗,实现偏振滤波.该设计思想不仅适应于本文的光子晶体光纤偏振滤波器,也可应用于其它光纤结构.

基于双层孔结构的850nm超细径保偏光子晶体光纤

光子晶体光纤由高纯度石英玻璃制备而成,具备弯曲损耗小、环境适应性强等优点,尤其适用于恶劣应用环境下的高稳定光纤陀螺。传统光子晶体光纤内部微孔占据了较大的空间,导致光纤直径大,并且主要工作波段为1550nm,无法满足小型化、高精度光纤陀螺需求。提出了双层空气孔结构缩小光纤直径,通过微孔尺寸调节降低光纤损耗,并使光纤限制损耗具有偏振相关性,从而实现超细径保偏光子晶体光纤设计。采用“堆积拉制”法制备了Φ60/100μm光子晶体光纤样品,经截断法测试光纤损耗为6.5dB/km@850nm,偏振串音-15dB@100m。

基于表面等离子体共振技术的光子晶体光纤传感器研究

为了实现对待测介质折射率的高灵敏度检测,设计并研究了一种基于表面等离子体共振技术的光子晶体光纤折射率传感器。该传感器的内外空气孔呈正六边形排列,在包层外壁上涂覆银-石墨烯纳米薄膜,通过纤芯基模和表面等离子体模的耦合程度来检测周围环境的折射率变化。研究表明,该传感器可以实现折射率在1.37~1.38范围内的检测,最高灵敏度可达40000nm/RIU,分辨率可达4.17×10-5RIU。

光子晶体光纤及其在太赫兹波段的应用

太赫兹(Terahertz, THz)技术作为一项非常重要的交叉前沿学科,给环境检测、生物医学、空间通信等领域带来了深远的影响,但因为THz波导传输性能的影响,THz技术综合发展仍然受到一定限制。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)作为一种新型THz波导,拥有无限单模特性、色散灵活可调、可控的非线性、高双折射等特性,极大的促进了THz技术的发展。首先根据PCF的结构特点总结了实芯PCF(Solid Core PCF, SC-PCF)和空芯PCF(Hollow Core PCF, HC-PCF)各自的发展历程、导光机理和光学特性;其次,梳理了用于THz波导的PCF存在的问题以及对应的解决方法;然后,着重介绍了PCF在THz时域光谱、THz传输与通信以及THz光纤耦合传感中的应用;最后,对PCF在THz技术的应用做了总结与展望。

基于高双折射侧边抛磨光子晶体光纤的表面等离激元共振双参量传感器

利用表面等离激元共振(SPR)技术设计了一款高双折射光子晶体光纤(PCF)传感器,可以实现宽范围的双参量高灵敏度传感.采用侧边抛磨的结构,内部空气孔呈三角晶格排列.金纳米层涂覆在抛磨面直接与待测物接触作为测量折射率RI的通道,更加方便检测工作的进行,靠近纤芯的椭圆孔内充满氯仿用来探测温度.两个独立的通道以及由非对称引入的双折射可以确保独自测量折射率和温度的变化,解决了交叉灵敏度问题.借助全矢量有限元软件COMSOL Multiphysics,灵活使用散射边界条件可以很好的对光子晶体光纤传感器的光学特性进行数值分析研究.实验结果表明,文中提出的传感器可以测量折射率范围为1.32~1.39,温度范围是20~60℃,在500~1100 nm的波长范围内可以观察到明显的表面等离激元共振效应.为了进一步分析该结构的性能,对主要结构参数(抛光面金膜厚度m_(1)、Ta_(2)O_(5)厚度m_(2)、中心空气孔直径d1以及占空比)做了研究分析.仿真结果得到折射率传感下的平均波长灵敏度5700 nm/RIU,最大波长灵敏度13200 nm/RIU,最大振幅灵敏度818.44 RIU^(-1),传感器的折射率分辨率为1.75×10^(-5)RIU.温度传感范围为20~60℃,得到最大波长灵敏度为2.6 nm/℃,最大振幅灵敏度为0.363℃-1,以及传感器的温度分辨率为3.84×10^(-2)℃.该工作对于高灵敏度、实时、分布式、多参量测量SPR传感器的设计和实现具有指导意义.

一种双通道D型光子晶体光纤SPR传感器实现方法

表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)是由金属表面自由电子集体振荡形成的电磁模式。当入射光波与SPP波满足波矢匹配条件时,入射光波的能量会转移到金属表面,从而在金属-介质层之间激发产生表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)现象,同时在输出光谱上产生对应的共振吸收峰。理论和实验结果表明,当介质层的折射率发生变化时,波矢匹配条件随之变化,相应的SPR共振峰发生偏移,通过分析输出光谱的变化,从而实现对目标物的实时检测。SPR传感技术具有灵敏度高,抗电磁干扰能力强以及可实时监测的优良特性,在化学、生物医学及环境监测领域得到了广泛的应用。

超宽折射率检测范围光子晶体光纤传感器

表面等离子体共振(SPR)效应的光子晶体光纤(PCF)因其体积小、灵敏度高等明显优势而受到了广泛研究。然而,大多数现有传感器的折射率检测范围较窄,限制了其在工业领域的应用。为了解决这个问题,采用金作为等离子体材料,通过调整光子晶体光纤表面涂覆金膜的厚度和涂覆金膜弧形开口的尺寸,设计了一种具有超宽折射率检测范围的D型光子晶体光纤传感器,该传感器能够实现对折射率在1.30~1.42范围内的超宽传感检测。研究结果表明,通过适当调整金膜的厚度和弧形开口的尺寸,可以获得超宽折射率检测范围的光子晶体光纤传感器,为工业领域的应用提供了更广阔的空间。

基于表面等离子体共振的光子准晶体光纤甲烷氢气传感器

设计了一种用于同时检测甲烷和氢气的基于表面等离子体共振(SPR)的新型光子准晶体光纤(PQF)传感器。在该传感器中,在银膜上分别沉积Pd-WO3和掺杂聚硅氧烷的笼型分子E薄膜作为氢气和甲烷的敏感材料。采用全矢量有限元方法对PQF-SPR传感器进行数值分析,结果证明该传感器具有良好的传感性能。在0%~3.5%的浓度范围内,氢气的最大检测灵敏度和平均灵敏度分别为0.8 nm/%和0.65 nm/%,甲烷的最大灵敏度和平均灵敏度分别为10 nm/%和8.81 nm/%。该传感器具有同时检测多种气体的能力,在设备小型化和远程监测方面具有很大的潜力。

一种基于光子晶体光纤的高灵敏度Sagnac型温度传感器建模研究

为提高Sagnac型温度传感器的测温范围和灵敏度,提供了一种具有高双折射高温度灵敏度特性的光子晶体光纤设计方法。通过在光纤空气孔内填充温敏液体材料,使光纤具有良好的温敏特性。在COMSOL中建立该光子晶体光纤的电磁场模型并对光纤特性进行分析计算,利用有限元法分析结构参数对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响,并在所确定结构基础上研究了温敏液体的填充方式和填充液体类型对光纤温敏特性的影响。确定了最优的结构和液体填充方式,最优情况下该光纤的双折射温度灵敏度能够达到2.0507×10^(−5)/℃,在1550 nm处可获得5.96×10^(−2)的双折射。将2 mm光子晶体光纤应用于Sagnac型温度传感器中并进行传感性能仿真分析,利用多项式拟合的方法对结果数据进行拟合以分析传感器的温度灵敏度,提高拟合准确性、减小测量误差。结果表明在0~75℃范围内传感器平均灵敏度可达11.28 nm/℃,与现有典型Sagnac型温度传感器相比,本文Sagnac型温度传感器在尽量减小光纤长度的基础上获得了较高的温度灵敏度,并且测温范围更大、准确性更高。因此,该传感器在温度测量领域有一定的应用前景。

掺铥镧铝硅酸盐玻璃光子晶体光纤制备及光学特性

镧铝硅酸盐玻璃具有稀土离子溶解度高、热稳定性好等优异的光学性能和优良的物理化学性质,其部分物理化学性质与石英相近,易与石英玻璃结合进行特种光纤制备,被认为是一种理想的激光玻璃基质材料.本文采用传统高温熔融法成功研制出一系列不同浓度Tm^(3+)掺杂镧铝硅酸盐玻璃,以掺铥镧铝硅酸盐玻璃为纤芯,采用管棒堆叠法制备出掺铥双包层光子晶体光纤.实验研究了掺铥镧铝硅酸盐玻璃及其光纤的吸收、荧光、激光等光学特性,研究结果表明,掺铥镧铝硅酸盐玻璃及其光子晶体光纤适于2μm波段激光输出,为2μm波段高功率光纤激光器的研究提供了一种新的途径.

五角芯型保偏光子晶体光纤(Q-PM-PCF)的双折射

提出了一种内层空气孔环含有五个空气孔的新型高双折射光子晶体光纤结构;采用全矢量有限元法进行分析,研究了该光子晶体光纤两正交偏振模的有效折射率和双折射,分别给出了该五角芯型保偏光子晶体光纤双折射随输入光波长和大空气孔半径的变化曲线。分析结果表明:该五角芯型保偏光子晶体光纤的双折射很易达到10-3量级甚至更高,比传统保偏光纤的双折射至少高出一个数量级,合理设计光纤结构参数,该保偏光纤的双折射在1550 nm处可以达到6.5×10-3以上,甚至更高,适合应用于偏振特性及稳定性要求都较高的实际光纤传感系统,例如光纤陀螺。

基于新型拼接光子晶体光纤的SPR葡萄糖浓度传感器

针对人体血糖的稳定高效检测问题,本文提出了一种基于表面等离子体共振(SPR)技术的光纤传感器并成功应用于葡萄糖浓度检测。采用光纤熔接机级联拼接多模光纤–光子晶体光纤–光子晶体光纤–多模光纤(MPPM),利用磁控溅射仪在光纤结构表面沉积金膜。随后,使用巯基乙胺对传感区的金膜进行修饰,采用戊二醛固定葡萄糖氧化酶(GOD)的技术路线,使传感器具备葡萄糖特异性识别功能,并实现对低浓度葡萄糖溶液的传感。针对SPR传感器的折射率灵敏度,本文设计两组对比实验,分别是相同结构不同传感区长度的传感器对比,以及相同长度不同结构的传感器对比。研究结果表明:传感区长度对传感器的折射率灵敏度的影响较小;MPPM传感结构的折射率灵敏度优于MPM传感结构(提高了约101.84 nm/RIU),且MPPM结构的传感器具有更深的SPR共振峰,意味着检测精度更高。对于制备的葡萄糖传感器,设计了一套葡萄糖浓度、特异性识别及稳定性的检测方案。实验结果表明:在0~0.8 mg/mL的浓度范围的葡萄糖溶液中,MPPM传感器的葡萄糖灵敏度约为29.61nm/(mg·mL^(–1)),且表现出良好的线性关系,拟合系数达到了0.954;具有良好的特异性识别能力及稳定性能。相比于传统的葡萄糖传感器,本文提出的葡萄糖传感器结构紧凑、生物相容性好、灵敏度高。

光子晶体与保偏光纤低损耗、高可靠熔接工艺

光子晶体光纤利用周期性的空气孔结构实现导光,具有空间辐射不敏感的特性。在光子晶体光纤空间应用中,存在与保偏尾纤熔接损耗大、熔接强度低的问题。本文对光子晶体光纤与保偏光纤熔接工艺进行研究。首先分析了光子晶体光纤和保偏光纤熔接损耗的产生机理,结合有限元仿真获得了熔接损耗与熔接功率和熔接时间的关系,并通过熔接实验对计算结果进行了验证。在此基础上,重点关注了熔接功率和时间对熔接强度的影响,通过实验获得了最优的熔接功率和熔接时间。最后,通过提升光纤端面质量、偏移加热位置、优化熔接参数等方法进一步提升了熔接点质量,实现了低熔接损耗与高熔接强度的平衡。利用优化后的熔接参数开展了光子晶体光纤与保偏光纤熔接实验,实验结果表明,平均熔接损耗达到0.82 dB水平,均低于1 dB,平均熔接强度139 kpsi,均大于100 kpsi,满足宇航空间应用的光纤低损耗、高可靠的熔接需求。

双侧抛D型光子晶体光纤表面等离子体温度传感器

为了降低传感器结构复杂度和提高传感器温度灵敏度,提出一种双侧抛D型、包层为正六边形和正八边形的光子晶体光纤表面等离子共振(SPR)温度传感器,利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件分别研究了偏振方向、空气孔径、银膜厚度对传感器的性能影响,找出各项数据的最优值,并以此为基础对传感器的温度传感特性进行了分析。仿真结果表明:在x偏振方向模式下,当包层空气孔d1=1μm、d2=0.5μm,金属银膜厚度tAg=35 nm时,传感器的性能最优,在0~120℃时传感器的温度灵敏度最高可达-7.99 nm/℃。

一种新型圆形掺杂光子晶体光纤负色散特性的分析

针对目前使用的光纤中普遍存在的色散问题,利用有限元法并结合COMSOL Multiphysics仿真软件设计了一种双芯圆形液体掺杂的光子晶体光纤。研究结果表明,随着空气孔直径d1与空气孔层间距Λ的比值d1/Λ变小,有效折射率的最大变化率和色散逐渐向长波长方向移动;随着中心孔直径d2变大,有效折射率的最大变化率和色散的最小值也逐渐向长波长方向移动;此外,随着掺杂液体折射率nL增大,有效折射率的最大变化率和色散的最小值同样逐渐向长波长方向移动。当Λ=1550µm、d_(1)/Λ=0.7、d_(2)/Λ=0.833以及nL=1.753时,可在1550 nm处获得−132720 ps·nm^(−1)·km^(−1)的大负色散值。

光子晶体光纤液压传感技术研究进展

基于光子晶体光纤(PCF)的液压传感技术具有灵敏度高、抗干扰能力强、适应恶劣环境等优点,具有重要的研究意义和广泛的应用前景,因此受到研究人员的特别关注。在简要介绍PCF液压传感基本原理的基础上,重点回顾了几种典型的PCF液压传感技术,即双折射PCF液压传感技术、PCF光栅液压传感技术、法布里-珀罗(Fabry-Perot)´腔PCF液压传感技术、双芯PCF液压传感技术,分别介绍了这四种液压传感技术的原理与技术方案,并对各自的性能进行了分析、比较和总结。最后简要归纳了PCF液压传感技术的研究现状及未来发展趋势。