高双折射光子晶体光纤的设计与传感特性分析

为了提高光纤的双折射率以及传感灵敏度,提出了一种基于椭圆形孔阵列的光子晶体光纤,通过空气孔调制光纤的折射率分布,有效的提高了光纤的双折射率,并基于全矢量有限单元分析法,研究了光纤色散、限制损耗以及温度传感特性。仿真结果表明,孔阵列椭圆率为2时,光纤的双折射率高达1.92×10^(-2),且限制性损耗低至10^(-10) dB·km^(-1)数量级,同时色散约为-15.54ps·km^(-1)·nm^(-1)。通过填充液体增敏的方式,有效提高了光纤基模的热光系数,热光系数高达9.5×10^(-5)/℃,可用于高灵敏度光纤温度传感。

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.

太赫兹连续波成像及光子晶体光纤表面等离子体共振传感探究

太赫兹连续波成像和光子晶体光纤表面等离子体共振传感技术是两个非常有前途和潜力的领域,它们可以为科学和工程社区提供重要的工具和技术,以推动创新和发展。本文主要围绕太赫兹(THz)连续波成像及光子晶体光纤表面等离子体共振传感展开论述,先后分析了THz连续波成像系统、大孔径微流体通道PCF-SPR传感、基于液芯PCF-SPR温度传感,最后还进行了实验分析,希望可以对提高相关领域的技术有所帮助。

七芯光子晶体光纤温度传感器

为了深入探究七芯光子晶体光纤的传感特性,本利用有限元法研究七芯光子晶体对温度的传感特性,找到七芯光子晶体纤芯基模与包层高阶模的有效折射差与温度的关系,算出波谷波长与温度的变化关系,即理论灵敏度,并基于单模-七芯光子晶体-单模结构的马赫-曾德尔干涉结合水浴法进行温度传感实验检测。研究结果表明:七芯光子晶体光纤的理论灵敏值为-47.14 pm/℃,实验测出的灵敏度为-48.86 pm/℃。可以发现七芯光子晶体光纤对温度具有良好的线性传感特性,而且稳定性好、线性拟合度高、制作工艺简单,在海洋环境监测、生物制药和食品检测等领域具有良好的应用价值。

基于表面等离子体共振的双芯光子晶体光纤温度传感器

针对目前温度传感器存在灵敏度偏低、结构复杂等问题,提出了一种基于SPR-PCF的高灵敏度双芯温度传感器,在PCF中心区域引入一个空气孔,将其表面镀一层金属膜并填充氯仿液体作为热敏材料以实现温度传感。通过使用有限元软件COMSOL Multiphysics研究了结构参数对传感性能的影响。仿真结果表明,当入射波长由增加到时,在10℃~40℃和50℃~100℃这两个温度范围内分别可实现高达12.55nm/℃和2.886nm/℃的灵敏度。

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。

高灵敏双参量光子晶体光纤传感器的实现方法

提出了一种D型光子晶体光纤磁流体双芯填充的磁场和温度双参量测量传感器结构。通过缩小第1层空气孔的中心两个孔,增强共振效果,提升灵敏度。引入磁流体填充双芯的磁感通道和乙醇填充的温敏通道,实现高灵敏度传感与双参量传感。结果表明,传感器温度在-30℃~50℃,透射峰温敏度为1.239 nm/℃,线性度达0.9957,损耗峰温度光谱灵敏度为2.514 nm/℃,线性度达0.99717。外界磁场在10 mT~30 mT,透射峰磁场灵敏度为-3.799 nm/mT,线性度达0.99727,且温度的测量误差为1.135%,磁场的测量偏差为6.67%,具有灵敏度高、测量准确、结构紧凑及工艺简单等特点。该研究可进一步优化D型PCF-SPR(photonic crystal fiber based on surface plasmon resonance,基于表面等离子体共振的光子晶体光纤)双参量解调传感的设计。

单芯光子晶体光纤边孔SPR折射率传感特性研究

为了实现高灵敏的表面等离子体共振(SPR)折射率传感,提出一种基于大纤芯的单芯光子晶体光纤SPR传感结构,采用全矢量有限元方法对其传感特性进行了数值仿真和分析。结果表明,该结构具有比较宽的折射率传感范围(1.36~1.55),同时具有较高的传感灵敏度,平均传感灵敏度达12139nm/RIU;在折射率1.36~1.42区域,线性传感灵敏度为5646.4nm/RIU,线性度为0.9317;而在折射率1.42~1.57区域,传感灵敏度达到15326.8nm/RIU,线性度为0.98738,传感特性出现明显的线性分段情况。该研究结果为实现高灵敏的光子晶体光纤SPR传感器提供了重要的理论依据。

基于悬芯光子晶体光纤内反射型的挥发性有机物的传感特性研究

对基于悬芯光子晶体光纤的内反射型传感器的传感特性进行研究。结果表明:该传感器对不同的气体分子有很好的灵敏性,不需要额外镀敏感聚合物膜就可以用它来检测空气中的挥发性有机化合物(VOCs);其对VOCs的灵敏度达到10-2pm/ppm,响应时间少于20s;与传统的气体传感器相比,该传感器结构简单、易于实现、灵敏度高,可以重复测量。

正八边形双芯光子晶体光纤的温度传感特性

正8边形光子晶体光纤包层结构较正6边形更接近于圆,因此它具有限制损耗低,非线性系数低,色散平坦的优点.设计了一种正8边形双椭圆孔纤芯光子晶体光纤,分析了这种光纤填充高折射率温度系数敏感液体后的温度特性.采用全矢量有限元法和光纤的模式耦合理论研究了温度对其有效折射率、耦合长度、模场分布和限制损耗的影响,计算并分析了具有相同结构参数的正6边形光子晶体光纤在1.55μm低损耗窗口的限制损耗.研究表明,模场分布与温度和波长有关,有效折射率和耦合长度都随着温度升高而减小,限制损耗随温度升高递增.结构一定时,长波长条件下和小椭圆率时具有更好的温度敏感特性;结构不同时,大占空比的光子晶体光纤具有更好的温度敏感特性.在波长1.55μm、相同温度下所设计的正8边形光子晶体光纤与正6边形光子晶体光纤的限制损耗相比大大减小.

全固双芯光子晶体光纤温度传感特性的研究

主要分析带隙型全固双芯光子晶体光纤填充高温度系数折射率敏感介质后的温度特性。应用平面波展开法和全矢量有限元法研究温度对其模场分布、有效折射率、耦合长度及温度传感的影响。理论计算结果表明,耦合长度随温度升高出现单极值或多极值点,奇模式的有效折射率随着温度的变化或波长的变化会出现跳变情况。

基于双芯光子晶体光纤的中红外表面等离子体共振低折射率传感器

为了在中红外区域实现气凝胶、七氟醚(麻醉剂重要成分)等物质的折射率检测,拓展折射率检测范围,提出了一种基于双芯光子晶体光纤的表面等离子体共振低折射率传感器.光子晶体光纤由两种大小不同的空气孔围绕中心气孔构成,通过对光纤抛磨,最外侧大空气孔直接与待测物质接触,实现基于金属外涂覆的折射率实时测量.采用全矢量有限元法对该传感器的理论模型进行分析,结果表明,在1.12~1.37折射率范围内,传感器的共振波长位于中红外区域2505~3181nm,最高灵敏度为12000nm/RIU,分辨率为8.33×10^-6.该传感器利用中红外波段实现了低折射率检测,并且获得了超宽的检测范围和较高的灵敏度,在化工检测、生物医学传感以及水环境监测等领域具有广泛的应用前景.

基于氮化钛薄膜表面等离子体共振特性的双芯光子晶体光纤温度传感器（英文）

提出一种基于表面等离子体共振的双芯光子晶体光纤温度传感器,其中双芯光子晶体光纤为折射率导光型,其中心圆孔表面镀氮化钛薄膜,内部填充具有较大热敏系数的乙醇和氯仿的混合液体,其纤芯模与表面等离子体激元耦合的共振波长偏移可反映液体混合物的温度或折射率.利用全矢量有限元法分析了不同因素对传输损耗谱及其共振波长的影响.仿真结果表明：外包层空气孔直径增大,以及最内层包层空气孔直径和空气孔间距减小可以提高耦合效率,从而增强共振峰.对比分析发现在一20℃~120℃温度范围内,氮化钛薄膜比传统金膜表现出更好的等离子传感特性,随着膜厚增加,其共振波长偏移量增加,温度灵敏度提高,灵敏度最高可以达到6.22 nm/K.

基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感器

以光子晶体光纤(PCF)为研究对象,以提高气体测量灵敏度为研究目标,提出一种反射式的光纤气体传感技术.首先,利用宽谱光源谐波检测技术,并结合实际应用需求,设计了基于空芯PCF的反射式气体传感系统,并详细分析了系统的工作原理.然后,针对空芯PCF与单模光纤耦合困难、气体填充时间长的问题,设计了集密封、固定及连接于一体的机械耦合装置作为测量气室.最后,以乙炔气体为例,测试了该系统的传感特性,体积分数分辨力可达0.02%,最大相对误差为1.39%.该技术将进一步推动PCF在气体传感中的应用,并为其在实际气体浓度测量中的应用提供了理论和实验基础.

甘油填充光子晶体光纤的温度传感特性研究

文章利用PCF独特的孔洞结构进行热敏液体甘油填充,搭建了光纤温度传感测试平台,实验研究了甘油填充不同结构参数、不同光纤长度的PCFs的温控传输特性。甘油填充PCFs温度响应传输光谱不仅存在温控光强的特性,还包含1430 nm固定波长吸收峰。可实现110℃~280℃宽温度范围的温度测量,获得1430 nm波长处150℃时0.936 dB/℃的温度灵敏度,独特的温控特性使甘油填充PCFs可用于强度调制温度传感器和温控光纤衰减器。这种独特温度响应光谱具有可重复性,另外传输光谱在低温时存在带通滤波现象,可作为温控带通滤波器。文章的研究结果对设计和制备光纤温度传感器和光纤调制器件具有重要的参考意义。

用于CO传感的空芯带隙型光子晶体光纤的研究

光纤气体传感器具有灵敏度高、防磁、防爆、远程控制等优点。而将空芯带隙型光子晶体光纤应用于气体传感,将使得气体传感与检测的灵敏度进一步提高。文章针对一氧化碳气体的特性及传感器对带隙型光子晶体光纤性能的要求,利用平面波展开法和矢量有限元法,通过分析计算,得出所需的光纤的基本参数,即纤芯的半径、空气孔的半径和间距,使其在纤芯中的传输率达到90%以上,其应用可以使传感器的检测灵敏度得以提高。

用于液压传感的双芯光子晶体光纤（英文）

采用全矢量有限元方法进行光纤设计优化,得到横截面上失去两层空气洞的双芯光子晶体光纤,可用于液压传感.优化的双芯光子晶体光纤的模场半径和数值孔径与单模光纤基本一致,在优化的双芯光子晶体光纤和单模光纤之间有一个相对较低的熔接损耗.计算结果表明由模场半径和数值孔径导致的不匹配造成的总共损耗可低至0.026dB,低于传统光子晶体光纤和单模光纤0.1dB的直接熔接损耗.对基于20cm双芯光子晶体光纤的液压传感器的性能进行研究,结果表明在0~500 MPa量程内的灵敏度为-1.6pm/MPa.

掺杂型双芯光子晶体光纤高灵敏声压传感结构

为了解决石英材料高杨氏模量对光纤传感器均匀径向上灵敏度提升的限制,提出一种掺杂型双芯光子晶体光纤传感结构。该设计将圆形空气孔分列在光纤包层上,构成六边形晶格,在其单侧空气孔环绕的基材区域掺入聚甲基丙烯酸甲酯材料。利用COMSOL分析了均匀应力作用下光纤截面参量对声压灵敏度的影响,得到最优参量匹配结构。结果表明,kPa量级的声压作用下,自由光谱宽度约13nm;MPa量级的声压作用下,自由光谱宽度约2.5465nm,在1550μm波段下,x偏振声压灵敏度达0.15942nm/kPa;相比Saganc光子晶体光纤压力传感器,传感尺寸小,均匀径向灵敏度提高了46.6倍。该研究对下一代水下声压传感器的设计有帮助。

双芯光子晶体光纤温度传感器

文章设计了一种双芯光子晶体光纤温度传感器,利用纤芯间高折射率柱的谐振效应实现对温度的精确传感。在纤芯间空气孔中注入液晶材料,利用液晶材料折射率的温度变化特性,使温度变化对双芯间的耦合特性产生影响,从而实现对温度的精确传感。仿真结果表明,通过测量双芯透射光功率就可以实现对温度的测量,其灵敏度可以达到2.5 mW/K。