太赫兹微结构双芯光纤超灵敏微流体传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏微流体传感器。器件采用双芯光子晶体光纤设计，由包层、左右两纤芯和涂覆层组成。光纤基底材料采用环烯烃类聚合物（TOPAS）；包层为三角晶格排列，具有六方对称性的圆形空气孔阵列；左芯采用等差分层微结构，用于增大左芯的模式双折射，同时改变基模色散曲线的斜率；右芯由圆形空气孔内填充待测量液体形成。理论研究表明，在0.5‑1.5THz频率范围内，光纤都能够实现精确的折射率传感，器件可检测折射率变化范围为0.019。在1THz，器件的折射率灵敏度达到51.22THz/RIU，优于以往研究结果。本发明专利技术利用太赫兹波的宽带特性和双芯光纤基模的交点耦合效应，构建了一个宽带、超灵敏的微流体折射率传感器。在对于传感和测量有高精度要求的生物、化学、医药等领域有非常广阔的应用前景。

Terahertz micro structure dual core fiber super sensitive microfluidic sensor

The invention provides a broadband, ultra sensitive microfluidic sensor based on a terahertz micro structure core photonic crystal fiber. The device is designed with two core photonic crystal fiber and consists of cladding, left and right two fiber cores and coating layer. The optical fiber base material is Topas; the cladding is a circular air hole array with triangular lattice arrangement and hexagonal symmetry; the left core adopts the differential layered microstructure to increase the mode birefringence of the left core and change the slope of the fundamental dispersion curve; the right core is formed by filling the circular air hole with the liquid to be measured. Theoretical research shows that in the frequency range of 0.5 \u2011 1.5thz, the fiber can realize accurate refractive index sensing, and the device can detect the change range of refractive index is 0.019. At 1thz, the refractive index sensitivity of the device is 51.22thz/riu, which is better than the previous research results. The invention utilizes the broadband characteristics of terahertz wave and the cross coupling effect of the basic mode of double core optical fiber to construct a broadband and ultra sensitive microfluidic refractive index sensor. It has a very broad application prospect in the fields of biology, chemistry, medicine and so on, which have high precision requirements for sensing and measurement.

【技术实现步骤摘要】
太赫兹微结构双芯光纤超灵敏微流体传感器
本专利技术涉及光纤传感和测量领域，具体涉及一种基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏折射率传感器。
技术介绍
光子晶体光纤（PhotonicCrystalFiber,PCF）又被称为多孔光纤（HoleyFiber,HF），或微结构光纤（MicrostructureFiber,MSF）。P.S.J.Russell等人于1991年首次提出光子晶体光纤的概念，从此掀开了光纤发展史中崭新的一页。J.C.Knight等人于1996年首次成功制备了光子晶体光纤，这是世界上第一根折射率引导型光子晶体光纤。1998年，第一根基于光子带隙原理的光子晶体光纤被拉制成功。从此，对PCF的研究就从未间断，热度不断攀升。目前，对光子晶体光纤波导及器件的研究已经渗透到各个领域，并已有大量商业化的产品。根据实际应用需求，人们不断设计出各种结构新颖的光子晶体光纤，包括高双折射PCF、单模单偏振PCF、多包层结构、多芯耦合结构、微结构纤芯PCF以及填充式PCF等等。目前的研究热点，主要体现在对新材料，新结构以及新功能的研究。随着太赫兹技术的不断发展，人们很快把光子晶体光纤的概念应用到太赫兹波段。2002年，Han等人采用高密度聚乙烯材料的管和棒推挤成光子晶体光纤，对其进行实验测定，发现在0.1-3THz频率范围内，该光纤具有较低的损耗和色散。随后，Masahiro等人报道了采用聚四氟乙烯材料制作的太赫兹保偏光纤，其损耗系数较低、且易于制备。Gong等人对太赫兹空芯光子晶体光纤进行了研究，发现其具有很宽的光子带隙。2009年，Nielsen等人报道了一种由聚合物材料Topas（环烯烃共聚物）制作的低损耗太赫兹光子晶体光纤。Topas是一种柔软的聚合物材料，在太赫兹波段具有低损耗，且易于弯曲等优点。这种光纤在很宽的频率范围内都能够实现单模运转，且具有极低的损耗和材料色散。在太赫兹领域，应用基于光子晶体光纤的功能器件，能够实现线上操作，降低连接损耗，从而使太赫兹系统向柔性、小型化和轻便的方向发展。基于光子晶体光纤的太赫兹调制器、滤波器、光开关、定向耦合器、光纤传感器等器件，在太赫兹领域有着广泛的应用潜力。
技术实现思路
本专利技术针对以往微流体光纤传感器在带宽、灵敏度等方面的局限，基于双芯光子晶体光纤的匹配耦合效应，提出了一种太赫兹宽带超灵敏微流体传感器。所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，由包层、左右两个纤芯和涂覆层组成。其中左芯为输入端口，右芯为输出端口。光纤横截面结构为聚合物材料内设若干空气孔，其中包层由三角晶格排列、大小一致的圆形空气孔组成。左芯由大小不一致的椭圆空气孔组成。纤芯微结构的占空比（空气孔面积/材料面积）小于包层，因此本专利技术所述光纤为折射率引导型光子晶体光纤。所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，为提高器件的折射率灵敏度，在光纤左芯引入满足等差分层条件的亚波长椭圆微空气孔。右芯内填充待测量微流体。左芯非对称微结构用于形成高模式双折射，从而更好的匹配输入端THz波的线偏振特性。等差分层设计，即在光纤横截面上，纤芯微结构分为多层，微结构基本单元为椭圆，中心椭圆的短半轴为r，每向外一层，椭圆的短半轴尺寸增大固定长度∆r。所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，左芯微结构设计的目的是为引入高模式双折射，因此纤芯微结构也可设计为其他非对称结构，如矩形孔、圆孔四方晶格阵列、圆孔对阵列、类领结结构等。所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，当右芯中填充某一特定折射率的微流体，由于两芯色散曲线的斜率不同，两芯基模Y偏振模式的色散曲线仅有一个交点。在交点处，两芯Y偏振将会发生强烈耦合。左芯中只有某一特定频率的太赫兹波会耦合到右芯。也就是说，在工作频率范围内，右芯某一折射率的微流体，仅能匹配左芯某一特定频率的太赫兹波。通过在右芯输出端口测量太赫兹波的频率，即可精确求得微流体的折射率。同时，由于入射太赫兹波具有宽带特性，因此本专利技术所述微流体传感器也具有宽带特性。所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，可选基底材料包括但不限于以下聚合物材料：PP（聚丙烯），HDPE（高密度聚乙烯），ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）,PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）,TOPAS（环烯烃类聚合物）。作为优选，光纤包层采用三角晶格排列的圆形空气孔设计。作为优选，左芯微结构基本单元设计为椭圆。作为优选，左芯微结构为三角晶格排列。作为优选，光纤基底材料选择Topas。本专利技术具备以下优点：1.模式耦合仅发生在两芯色散曲线交点处，因此该传感器能够对微流体折射率的微小变化进行精确检测；2.由于入射太赫兹波具有宽带特性，因此本专利技术所述微流体传感器同样具有宽带特性；3.由于左芯采用等差分层微结构设计，有效增大了模式双折射，从而更好的匹配输入端THz波的线偏振特性；4.随着3D打印技术的广泛应用，基于复杂微结构纤芯的各种光纤器件将更容易被制造。因此，所述基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器，在对于传感和测量有高精度要求的生物、化学、医药等领域有非常广阔的应用前景。附图说明图1是基于太赫兹微结构双芯光纤的超灵敏微流体传感器100的实例示意图：该器件由涂覆层12、包层11、左芯13和右芯14组成。其中左芯13为输入端口，右芯14为输出端口。图2是太赫兹超灵敏微流体传感器横截面示意图。图3是太赫兹超灵敏微流体传感器左芯微结构横截面示意图。图4是当右芯微流体不同的折射率变化，对应两芯基模Y偏振模式的色散曲线。图5是色散曲线局部放大，交点在1THz两芯的色散曲线，对应液体折射率为1.37108。图6是当微流体折射率n=1.37108，入射太赫兹波频率为0.99THz，1THz和1.01THz时两芯基模Y偏振模式的模场分布。图7是右芯输出端口处太赫兹波频率与待测微流体折射率的关系。具体实施方式下面结合附图和实例对本专利技术进行详细的描述。实例：基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏折射率传感器100，其基本结构由涂覆层12、包层11、左芯13和右芯14组成，其中左芯13为输入端口，右芯14为输出端口。包层由三角晶格排列的圆形空气孔21组成，空气孔的直径D=420，晶格常数L=450。左芯微结构采用等差分层设计，由三角晶格排列的椭圆空气孔13组成，晶格常数l=40，椭圆长半轴和短半轴为a和b，a:b=3:1。设b=r，则a=3r。中心微结构椭圆30短轴长度为3，第一层微结构31椭圆短轴长度为4，第二层微结构32椭圆短轴长度为5，第三层微结构33椭圆短轴长度为6,，第四层微结构34椭圆短轴长度为7，第五层微结构35椭圆短轴长度为8。在右芯中引入特定折射率的微流体，由于两芯色散曲线的斜率不同，两芯基模Y偏振模式的色散曲线仅有一个交点。在交点处，左芯中只有某一特定频率的太赫兹波会耦合到右芯。也本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏折射率传感器，其基本结构由涂覆层、包层和左右两纤芯组成，其中左芯为输入端口，右芯为输出端口，光纤横截面结构为在基底材料中设计若干空气孔，其中包层由大小一致的圆形空气孔组成，在左芯中设计满足等差分层条件的亚波长微空气孔阵列，右芯内填充待测微流体。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于太赫兹微结构纤芯光子晶体光纤的宽带、超灵敏折射率传感器，其基本结构由涂覆层、包层和左右两纤芯组成，其中左芯为输入端口，右芯为输出端口，光纤横截面结构为在基底材料中设计若干空气孔，其中包层由大小一致的圆形空气孔组成，在左芯中设计满足等差分层条件的亚波长微空气孔阵列，右芯内填充待测微流体。


2.根据权利要求1所述太赫兹双芯光纤传感器，其特征在于，光纤为双芯折射率引导型光子晶体光纤。


3.根据权利要求1所述太赫兹双芯光纤传感器，其特征在于，光纤包层为三角晶格排列，具有六方对称性的圆形空气孔，晶格常数可以设置为450。


4.根据权利要求1所述太赫...

【专利技术属性】
技术研发人员：李珊珊，常胜江，范飞，张昊，白晋军，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12