本发明专利技术涉及一种超小型微腔气体传感器，包括光源、光耦合模块、微腔模块和光谱探测器。所述光耦合模块包括全反射镜、起偏器、透镜和耦合光纤；所述微腔模块包括一维光子晶体纳米腔，该一维光子晶体纳米腔腔体上含有与腔体呈中心对称分布的渐变空气孔和反射镜区空气孔阵列；所述微腔结构的缺陷态和其高斯型光子阱与增益介质的完美匹配，使得该微腔具有高品质因子Q和低模式体积V，从而实现对气体折射率的高精度探测。本发明专利技术超小型微腔气体传感器检测灵敏度可达180纳米/单位折射率，其分辨率可达0.0001；且具有体积超小、低损耗的特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及ー种气体传感器，特别涉及ー种基于宽度抛物线型和渐变孔径的ー维光子晶体超小型微腔的气体传感器，属于气体传感器领域。
技术介绍
近年来，气体传感器在环境质量检测、エ业生产过程和卫生安全等领域的应用越来越广泛。气体传感器作为检测气体參数的关键部件，其检测的原理主要是通过感知环境中某种气体，将与该种气体种类和浓度有关的信息转换成相关的物理參量，从而进行气体的检测、监控、分析、报警等。气体的纯度、含水量等都与气体的介电常数有关，而气体的介电常数又与其折射 率有关，因此，只要能够精确地測量出气体的折射率就可以实现对气体的纯度、含水量等參数的精确测量。目前，使用气体传感器测量气体的折射率，大多是通过干涉法来实现，主要是利用迈克尔逊干涉法和马赫ー曾德尔干渉法来实现气体折射率的測量。但利用这两种测量方法的气体传感器均存在体积大、不易集成、不能自动检测和远程传输的局限。当今，气体传感器引起了测量气体折射率或者传输变化的广泛关注。而在气体传感器中使用引入缺陷形成的光子晶体腔作为气体传感器的窄带滤波器件是很有优势的，由于光子晶体腔的高品质因子保证了窄带滤波器输出谱线的窄频宽，所以当外界环境条件改变即待测气体的折射率改变时，窄带滤波器所对应的腔长也会变化。由于其频宽超窄，气体传感器能探測到的相应谱线也变得较为容易，这为设计气体传感器提供了新的平台。由于光子晶体微腔结构具有较高的微腔谐振品质因素和较小的模式体积，因而它已经被用于气体传感器领域，但是，目前大部分所用于气体传感器的光子晶体微腔都是基于平板光子晶体腔。E. Chow等人提出ー种基于ニ维光子晶体微腔结构的气体传感器，该气体传感器的光子晶体微腔模块为ー个三角晶格光子晶体，在该光子晶体微腔模块上设置一系列的气孔，与位于该光子晶体模块上的第一波导和第二波导形成ー个“申”字型的结构。该气体传感器用于探测气体折射率的变化，但是，光能在上述气体传感器的光子晶体模块中透过率很低且这种传感器所探測到的折射率变化只有O. 002。因此，提出ー种具有高的灵敏度和分辨率的气体传感器，具有重要的意义，也是本专利技术的任务所在。
技术实现思路
本专利技术的目的就是在于克服现有技术中所存在的缺陷和不足，而设计ー种新型的基于ー维光子晶体纳米线腔的超小型微腔气体传感器。该气体传感器具有測量准确，高灵敏度和低损耗的特点。本专利技术的基本设计思想是设计ー种基于宽度抛物线型和渐变孔径的ー维光子晶体纳米线腔的超小型微腔气体传感器。它包括光源、光耦合模块、微腔模块和光谱探测器；该光耦合模块进一歩包括全反射镜，在全反射镜的反射面设置起偏器，透镜，还在起偏器的透射面，透镜的前面或后面设置耦合光纤；微腔模块进一歩包括纳米线腔，设置于该纳米线腔上的气孔和固定该纳米线腔的腔体测试盒；所述光源发出的光经全反射镜反射后进入起偏器，由透镜聚焦耦合至耦合光纤后进入微腔模块。由于所述光子晶体纳米线腔的光学模式的紧约束性对外界环境变化即气体折射率变化具有高灵敏度；当环境中所要测量的气体折射率对比度提高时，纳米线腔的光子带隙加宽且谐振波长发生偏移，利用光谱探测器接收纳米线腔的输出光场变化，进而得到待测气体的折射率大小。为实现本专利技术的上述目的，本专利技术采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。本专利技术提出的ー种超小型微腔气体传感器，其特征在于包括光源、光I禹合模块、率禹合光纤、微腔模块、耦合连接光纤和光谱探测器；所述光耦合模块进一歩包括全反射镜、起偏器和透镜；所述微腔模块进一歩包括纳米线腔和腔体测试盒；所述光源发出的光经光耦合模块中的全反射镜反射后进入起偏器，再由透镜聚焦耦合至耦合光纤后进入微腔模块，所述耦合光纤设置于透镜的后面，然后发出的光经过微腔模块再进入耦合连接光纤，并由放置于该微腔模块另一端的光谱探测器接收纳米线腔的输出光场变化，进而得到待测气体 的折射率大小。上述技术方案中，所述起偏器和透镜设置于全反射镜的反射面。上述技术方案中，所述的纳米线腔的腔型是基于宽度抛物线型和渐变孔径组成的自由悬浮式结构的ー维光子晶体微腔；所述纳米线腔包括缺陷区，渐变区和反射镜区，其上设置有气孔，纳米线腔由腔体测试盒固定。上述技术方案中，所述的纳米线腔上设置的气孔为与其呈中心对称分布的渐变区空气孔和反射镜区空气孔。上述技术方案中，所述的耦合光纤和耦合连接光纤用作光进入和连接的部分，其形状均为锥形光纤。上述技术方案中，所述的光源为LED光源，或激光光源。上述技术方案中，所述的光谱探测器为光谱分析仪。上述技术方案中，所述的腔体测试盒置于待测气体中，气体能自由地在腔体测试盒内流通。上述技术方案中，所述的纳米线腔上的气孔对应纳米线腔的晶格常数a设置；其上呈中心对称分布的反射镜区空气孔ー边的空气孔个数不少于3个，且呈均匀分布，空气孔的半径满足r= Pa，其中β为系数。上述技术方案中，所述的纳米线腔上呈中心对称分布的一边的渐变区空气孔个数不少于3个，且渐变区空气孔的半径r从中心向两边呈线性增大变化，线性变化对应的线性方程为r=i3an，其中β为系数，an为渐变空气孔的两孔中心之间的孔间距，最小的孔间距为a1； B1=Ct a，其中α为系数。本专利技术所述的超小型微腔气体传感器由于其光子晶体纳米线腔的光学模式的紧约束性对环境变化具有高灵敏度，当折射率对比度提高，纳米线腔光子带隙加宽且谐振波长发生偏移。谐振波长与气体折射率变化的关系如下(Λ λ+ λ )/λ =l+(r/neff) Λη(I)其中λ是波长值，(Δ λ + λ)是谐振波长的扰动值，neff是在纳米线中有效折射率未受扰动值，Γ是重叠在气体上的模功率，微小的Vn变化也会导致Λ λ变化。假设响应因子R被用来描述谐振波长λ或者频率与气体折射率的关系「 π An AA AmRx—=—=——(2) η λ ω其中，Λ η、Λ λ和Λ ω分别表示折射率变化，波长偏移和频率偏移；R表示超小型纳腔气体传感器的灵敏度。微腔的Q因子等于λ/Λ λ '，其中Λ λ '是半高全宽(FWHM);所以微腔Q因子越高，波长分辨率越高，相应地，气体折射率的精确度也越高。由于所述的超小型微腔气体传感器的微腔结构的缺陷态和其高斯型光子阱与增益介质的完美匹配，使得该微腔具有高品质因子Q和低模式体积V，从而实现所述传感器对气体折射率的高精度探测。本专利技术与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果 I、本专利技术所公开的超小型微腔气体传感器，由于其基于宽度抛物线型和渐变孔径的ー维光子晶体微腔的结构缺陷态和其高斯型光子阱与增益介质的完美匹配，使得该微腔具有高品质因子Q和低模式体积V，从而实现气体传感器对气体折射率的高精度探測。整个技术方案中没有提到光子晶体微腔结构2、本专利技术所公开的超小型微腔气体传感器，由于其光子晶体微腔是ー维腔体，同ニ维光子晶体平板腔相比，实现了相同量级Q值的情况下，尺寸更小，功耗更低。3、本专利技术所公开的超小型微腔气体传感器，其结构简单、性能稳定、且具有较高的灵敏度和分辨率；其灵敏度可以达到180纳米/単位折射率，分辨率可以达到O. 0001。附图说明图I是本专利技术超小型微腔气体传感器的整体结构示意图；图2是本专利技术超小型微腔气体传感器的光子晶体微腔结构示意图；图3是本专利技术实施例一中不同折射率的待测气体的谐振光谱示意图；图4是本专利技术实施本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.ー种超小型微腔气体传感器，其特征在于包括光源(I)、光耦合模块(14)、耦合光纤(5)、微腔模块(15)、耦合连接光纤(9)和光谱探测器(10);所述光耦合模块(14)进ー步包括全反射镜(2)、起偏器(3)和透镜(4);所述微腔模块(15)进ー步包括纳米线腔(6)和腔体测试盒(8);所述光源(I)发出的光经光耦合模块(14)中的全反射镜(2)反射后进入起偏器(3)，再由透镜(4)聚焦耦合至耦合光纤(5)后进入微腔模块(15)，所述耦合光纤(5)设置于透镜(4)的后面，然后发出的光经过微腔模块再进入耦合连接光纤(9)，并由放置于该微腔模块另一端的光谱探测器(10)接收纳米线腔(6)的输出光场变化，进而得到待测气体的折射率大小。2.根据权利要求I所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述起偏器(3)和透镜(4)设置于全反射镜(2)的反射面。3.根据权利要求I所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述的纳米线腔(6)的腔型是基于宽度抛物线型和渐变孔径组成的自由悬浮式结构的ー维光子晶体微腔；所述纳米线腔(6)包括缺陷区(11)，渐变区(12)和反射镜区(13)，其上设置有气孔(7)，纳米线腔(6)由腔体测试盒(8)固定。4.根据权利要求I或3所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述的纳...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯国英，冯琛，周寿桓，鲜佩，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：
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