专利名称：一种太赫兹多孔光纤倏逝波传感器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种特殊纤芯塑料多孔光纤，特别是一种太赫兹多孔光纤倏逝波传感器件。
背景技术：
太赫兹波介于毫米波与红外辐射之间，处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡领域，其频率在0. ITHZ到10THZ之间，即波长在0. 03mm到 3_范围内。太赫兹波具有很多优越的特性，已被广泛用于物体成像、光谱分析、医疗诊断、 材料分析测试、环境检测以及通讯雷达等领域。近年来国际上掀起太赫兹研究热，各种功能的太赫兹波导和传感器件随之应运而生。多孔光纤是在传统的孔光纤和光子晶体光纤的基础上发展起来的一系列的新型光纤，包括光子带隙光纤、晶体光纤、空气-包层光纤、高A值微孔光纤等。以多孔光纤作为传感探头的光纤化学传感器是一种刚刚兴起的低损耗、低色散、高灵敏度的传感器，它不受微波和电磁的干扰、传输功率损耗小、传输信息容量大、可用于远距离的遥测和某些特殊环境的分析。普通石英光纤材料在太赫兹波的传输中损耗很大，所以新型塑料材料光纤器件应运而生，包括聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等，本文选择聚甲基丙烯酸甲酯，因为对于所设计的结构其色散和损耗都很低。用于太赫兹波导的多孔光纤的结构参数在毫米量级，相对于可见光或者红外波段的多孔光纤更容易制备。以往人们都是通过改进结构提高传统光纤倏逝波传感器灵敏度，有D形、锥形、纤芯裸露形、纤芯失配型和微结构光纤等，或者根据模式比配原理通过计算锥形区长度、纤芯半径和入射角来达到较高灵敏度，但这种方法灵敏度提高不明显，最主要的是在大部分光被限制在整个实的纤芯中材料吸收损耗和波导色散很大，无疑给传感器精确度带来很大影响。有必要研究一种低损耗、低色散而且高灵敏度的光纤结构用作倏逝波传感器件。

发明内容
本发明目的是解决以往的传统光纤倏逝波传感器损耗大、色散大、灵敏度低的问题，提出一种低损耗、低色散且高灵敏度的太赫兹多孔光纤倏逝波传感器件。本发明的技术方案一种太赫兹多孔光纤倏逝波传感器件，纤芯为聚甲基丙烯酸甲酯材料，在纤芯中均布沿轴向呈正三角形周期性排列的亚波长空气孔，包层由位于纤芯外部的待测气体或液体构成，利用纤芯与包层界面处的倏逝波实现传感特性。所述聚甲基丙烯酸甲酯的折射率为I. 6。所述纤芯中空气孔的直径为0. 08mm,孔间距为0. Imm,纤芯直径为0. 7mm。本发明的优点和积极效果该传感器件在实心纤芯中增加一系列沿轴向呈正三角周期性排列的亚波长空气孔，有效降低了基模有效折射率，减小材料吸收损耗和波导色散，提高相对灵敏度；用于倏逝波传感不用对光纤进行任何处理就可以作为传感器探头，机械可靠性高，加工成本低；该传感器件用于传感区域位于光纤外部，不用像光子晶体光纤传感区域在内部空气孔中那样将被测物填入，检测时间相对减少，当用于生物荧光检测时可以方便对光纤表面进行处理， 且不会影响探头的可靠性。


图I是该多孔光纤截面结构示意图。
图中1.纤芯 2.空气孔
图2是该多孔光纤与相等纤芯直径传统光纤在波长为I. 4mm时的光功率流分布图。
图3是多孔光纤与相等纤芯直径传统光纤有效折射率对比曲线。
图4是多孔光纤与相等纤芯直径传统光纤相对灵敏度对比曲线。
图5是该多孔光纤传感器件的波导色散曲线。
具体实施方式
实施例I :
一种太赫兹多孔光纤倏逝波传感器件，如图I所示，纤芯I为折射率I. 6的聚甲基
丙烯酸甲酯材料，在纤芯I中均布沿轴向呈正三角形周期性排列的亚波长空气孔2，空气孔的直径为O. 08mm，孔间距为O. 1mm，纤芯直径为O. 7mm，包层由位于纤芯外部的待测气体或液体构成，利用纤芯I与包层界面处的倏逝波实现传感特性。图2为该结构多孔光纤倏逝波传感器件以及与相等纤芯直径的传统光纤在波长 λ = I. 4mm时的模场分布COMSOL模拟对比图，其中a表示多孔光纤在该波长下的光功率流分布模拟图，b代表与多孔光纤纤芯直径相等的传统光纤的相应图。由a、b对比图可以看出多孔光纤泄露在包层待测物中的光功率即倏逝波明显多于传统光纤，所以灵敏度提高， 并且多孔光纤纤芯中大部分的能量集中在空气孔中，而空气对太赫兹波几乎是透明的，这样又减小了色散，降低了材料吸收损耗，改善该传感器性能。图3是多孔光纤与相等纤芯直径传统光纤有效折射率对比曲线。在多孔光纤纤芯中周期性亚波长空气孔的存在使纤芯等效折射率明显减小，从而基模有效折射率也相应明显降低，在整个波长范围内多孔光纤的模式有效折射率不超过I. 2，总体上都和空气折射率
I.O接近，而传统光纤从聚甲基丙烯酸甲酯材料折射率I. 6附近起随波长增加递减，可见多孔光纤有效降低模式有效折射率，从而提高传感器的相对灵敏度。图4是多孔光纤与相等纤芯直径传统光纤相对灵敏度对比曲线，从图中明显可以看出多孔光纤的相对灵敏度远高于传统光纤，最大在波长λ = I. 4mm时几乎可达到 50%，因为纤芯中空气孔的存在使纤芯与包层的有效折射率差减小，从而对传输光束缚减弱，相对灵敏度提高。另外空气孔使多孔光纤中材料吸收损耗和散射损耗降低，这样也对灵敏度的增加有帮助。用有限元软件模拟出模式有效折射率以后，再通过matlab最小二乘法拟合得到波长在O. 5mm到I. 4mm内的波导色散曲线，如图5所示，在整个波长范围内多孔光纤色散曲线较传统光纤平坦，基本上实现了超平坦的正色散，色散值大约在O. 7-1.5ps/(nm.km)范围内。而传统光纤在短波长O. 5-1. Omm内是正色散，在长波长I. 0-1. 4mm范围内是负色散。 作为传感器器件我们希望其色散曲线越平坦越好，这样对测量误差影响越小，而该多孔光纤基本满足这一点，所以在传感应用中会占很大优势。
权利要求
1.一种太赫兹多孔光纤倏逝波传感器件，其特征在于纤芯为聚甲基丙烯酸甲酯材料，在纤芯中均布沿轴向呈正三角形周期性排列的亚波长空气孔，包层由位于纤芯外部的待测气体或液体构成，利用纤芯与包层界面处的倏逝波实现传感特性。
2.根据权利要求I所述太赫兹多孔光纤倏逝波传感器件，其特征在于所述聚甲基丙烯酸甲酯的折射率为1.6。
3.根据权利要求I所述太赫兹多孔光纤倏逝波传感器件，其特征在于所述纤芯中空气孔的直径为O. 08mm,孔间距为O. Imm,纤芯直径为O. 7mm。
全文摘要
一种太赫兹多孔光纤倏逝波传感器件，纤芯为聚甲基丙烯酸甲酯材料，在纤芯中均布沿轴向呈正三角形周期性排列的亚波长空气孔，包层由位于纤芯外部的待测气体或液体组成，利用纤芯与包层界面处的倏逝波实现传感特性。本发明的优点是该传感器件在实心纤芯中增加一系列沿轴向呈正三角周期性排列的亚波长空气孔，有效降低了基模有效折射率，减小材料吸收损耗和波导色散，提高相对灵敏度；用于倏逝波传感不用对光纤进行任何处理就可以作为传感器探头，机械可靠性高，加工成本低，用于传感区域位于光纤外部，检测时间相对减少，用于生物荧光检测时可以方便对光纤表面进行处理，且不会影响探头的可靠性。
文档编号G01D5/26GK102607610SQ20121006326
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月12日 优先权日2012年3月12日
发明者任广军, 吴玉登, 孟庆莹, 沈远, 胡海燕, 董莉 申请人:天津理工大学