建立在光子晶体光纤传感器上的量测折射术(共7页)

1、Refractometry based on a photonic crystal fiber Interferometer 基于(jy)光子(gungz)晶体光纤干涉仪的量测折射(zhsh)术Rajan Jha,1,* Joel Villatoro,1,3Gonal Badenes,1和 Valerio Pruneri1,21西班牙，(巴塞罗纳), 地中海科技园, Castelldefels市 08860 号，地中海科技园，ICFO-Institut de Cincies Fotniques,以及西班牙，(巴塞罗纳), 08010号,ICREA-Instituci Catalana de R

2、ecerca i Estudis Avanats, joel.villatoroicfo.es我们报告的是一个应用于量测折射术的简洁的的干涉仪模态。该装置由拼接的标准的单孔纤维的大孔光子晶体纤维（光子晶体纤维PCF）存根组成。在拼接区域，光子晶体纤维（光子晶体纤维PCF）的真空部分完全瓦解，这就使得光子晶体纤维（光子晶体纤维PCF）的核心和包层模复合、连接起来。这个装置能保持长久的稳定，温度敏感性低，适合测量系数范围为1.3301.440的波长。这种测量折射系数的方法是由干涉模式的转换监测的。 2009 Optical Society of America OCIS codes: 060.23

3、70, 060.5295, 120.3180, 280.4788.由于其众多的应用，从科学和技术的角度看，量测折射术都是非常重要的。另一方面，应用于量测折射术的简洁的的干涉仪模态的发展对工业加工的应用、食品和饮料行业等的质量控制是非常关键的。在另外一方面，折射率干涉仪于研究不同的生物或化学的标本也是有用的。光纤折射计和折射率干涉仪是很有吸引力的，由于其体积小，设计灵活，抗电磁干扰，网络兼容性强和可用于远程和近程测量。设计有效的光纤折射计，一是需要抓住转瞬即逝的导光光波，而不影响设备的稳定性。此外，一个理想的折射计应该符合成本效益，并能够测量高分辨率、大范围的光波。折射计是基于倾斜的布拉格光栅、

4、长周期光栅，和一些干涉仪模态，；来满足这些条件的，但他们有几个缺点1-11，如成本高，对温度灵敏度高干涉仪模态容易漂移，因为它们很容易受到模式联接情况的扰动。在这封信中，我们提出(t ch)了一个建立(jinl)在一个(y )强大的全光纤模态干涉仪的基础上的简洁的的折射计，该全光纤模态干涉仪是通过简单和行之有效的熔接制造的。该设备利用光子晶体光纤模态的性质，而通过几片标准的光纤进行采集。此设备的制造很简单，因为它只涉及到在一个标准的光纤实验室进行12,13的切割和拼接过程，可以测量折射率的范围相当广泛，从1.33（水环境）到1.44（生物分子），分辨率为此前提到的建立在光子晶体纤维上的的折射计

5、和指数传感器依靠拉锥或光栅技术14-18。大部分孔的设计有必要渗透这些样品的技术。在我们这个案例里，通过短暂的光子场和光子晶体纤维的外围部分的材料样本的互动来测量折射率是有可能的。要制造这个设备，几厘米长的商用光子晶体纤维（ LMA - 8晶体光纤A / S ），通过使用传统的熔接机器，熔接到一个标准光纤(Corning SMF-28)。通过这样一种熔接方式，光子晶体纤维（光子晶体纤维PCF）的真空部分在短距离内就完全瓦解，此区域通常小于300 。图1显示了使用光子晶体纤维（光子晶体纤维PCF）下的显微镜图片，即，传感器图，实验装置图。为了采集从光纤平面射到光子晶体纤维的干涉仪光线，然后传送的

6、光线输送到一个光学频谱分析仪。要测量的液体沉积在光子晶体纤维（光子晶体纤维PCF）的外表面，与 19的方式类似。然而，目前的做法不能使液体进入光子晶体纤维（光子晶体纤维PCF）的空隙。由于表面张力和分子间的相互作用力，无论是在液体或气体的阶段的污染物都可以在反射过程中进入装置的空洞里，从而使清洁更为困难，尤其是对设备的重新使用。此外，执行跨任务的的设备不需要使用任何光纤光环行器，正如在19的报告。这不仅提供了更广的波长运动范围（10倍大）而且大大降低了设备的复杂性和成本。要了解(lioji)干涉仪的工作原理，让我们来分析从太阳(tiyng)磁场SMF到光子晶体(jngt)纤维PCF（图1）时的

7、导梁。当它进入一片坚实的玻璃时，基本的SMF模式开始衍射，即折叠的的光子晶体纤维PCF区域。由于衍射，模变宽了，使得光子晶体纤维PCF 区域的核心和包层模收到了刺激12,13。光子晶体纤维PCF的纤芯和包层模的传播常数是不同的。因此，当他们沿着光子晶体纤维PCF区域传播时，模聚集了相位差。相位差取决于导光的波长，还有模运动的距离，( L , 或光子晶体纤维PCF的长度)，过了光子晶体纤维PCF后，模到达了另一片坚实的玻璃，即，另外一个折叠的光子晶体纤维PCF的底部。然后他们进一步衍射，通过随后的太阳磁场的过滤又结合。因此，我们的干涉仪的传播可以这样表述成双孔干涉仪 8的如下式子：和是核心和包层

8、模的密度，是核心和包层模的有效折射率的差值。L是双孔在光子晶体纤维PCF区域运动的距离。从装置（1）可看到，我们的干涉仪的传播会展示出周期性的最高点和最低点。在图2所示的例子中，我们展示了干涉仪穿过用80mm的光子晶体纤维PCF制作的装置达50nm，这种周期性表明干涉主要出现在基本核心模和一层包层模之间。我们也可发现，当m是整数时，这类干涉的最高点就会出现。因此，当波长为时，这类干涉模式就出现顶点。连续的最高点出现的间隔为模态干涉仪的性能(xngnng)，稳定性，温度取决于对此模的元素(yun s)的严格要求。在我们的干涉仪中，模的刺激和重新结合由永久和稳定的拼接来实施。这些不会随着时间(sh

9、jin)或温度的变化而下降；因此，高度稳定的干涉仪是能够制造的。在图2中，例如，我们显示出，用平均漂移作为用80nm的光子晶体纤维制造的装置的时间检测器。我们用10pm分辨率的纤维布拉格采集器追踪在21个小时内出现的所有最高点的位置。在测量过程中，保持干涉仪直立隔离。我们观察到小于15pm的漂移，表明高度的稳定性对感应应用时非常重要的。如图2所示，我们还研究了在24 C 240 C范围内的温度依赖性。注意到，温度的变化超过200 C，那么在干涉仪模型的总的漂移1.5 nm，因而，我们建议非常低的温度依赖性。一般根据不同的装置参数，温度在5 8 pm/ C。要注意包层模的短暂的波到达光子晶体纤维

10、的外表面，这样和液体或涂层的互相作用就有可能发生。在我们的干涉仪中，这种相互作用只和包层模发生，因为核心模与外部环境隔绝。有外调制器光调制指数的核心模和由此导致的相位差。结果是，干涉仪的最高点和最低点的位置发生了改变，例如，图3和4显示了两个干涉仪在1490 1590 nm范围内的传播光谱，L分别为L= 17 mm 和32 mm，被高指数的空气（折射率为1）和液体包围。这两个干涉器的漂移依靠外部指标。这些数据还表明长度在1490 1590 nm的波长的漂移在这两个装置中都起着外部指标的作用。因为这些实验数据采取的是不完全正规的干涉条纹，所以这些偏离标准的偏差是可以理解的。有校准(jio zhn

11、)指数的浸镜油用于实验。在连续时，用丙酮清洗光子晶体纤维的表面，然后用氮干燥以保证在每次测量(cling)时的条件不变。我们可从图3和4中看出，干涉的漂移随着外部指数靠近纤维而变得更加明显。在这方面，我们(w men)的干涉器的行为类似于基于光栅1-8的基础的干涉器上。由于更长时间的相互作用和更锐利的边缘组合在一起，较长的设备可能会更为敏感，但超过一个周期的漂移在实际情况下可能是不受欢迎的。我们的设备为靠近光子晶体纤维的玻璃的指数展示了最高的敏感性。在那个值以上，包层模变成了一个有效的辐射模式，而干涉条纹消失了。在1.38144的指数范围内的长度为32mm的干涉器的最高分辨率为能与商用的验光仪

12、相媲美。然而，指标在1.331.38范围内的分辨率为。要计算这些数据，设想100 pm的漂移可以用检波器解决（尽管我们使用的光纤光栅采集器的分辨率为10 pm）。重要的是指出基于边缘漂移的感应装置，能检测到的最大的漂移和它们的半最大值全波的宽度有关。较宽的干涉条纹的限制一般为半最大值全波 FWHM/ 100。在我们的例子中，可以制作10纳米宽的条纹干涉仪，以此证明了上述数字。较短的波长在两个折射指数的范围，分辨率都略低。请注意，温度梯度接近20C会造成100pm的漂移，因此温度补偿可能不会需要这种类型的折射，如果它们在正常的环境中使用。总之，在很宽的波长(bchng)范围内运动(yndng)的

13、简洁(jinji)的干涉器模态干涉已经应用于折射率测量。其构造包括在标准单模纤维之间熔接的不同长度的大模场面积光子晶体光纤。我们对干涉器的折射性能进行了研究，已知液体的折射率范围1.33-1.45。基于折射率变化的感应也是可行的。例如，光子晶体光纤可用任意指数和厚度的溶胶、凝胶或金属薄膜作为其外皮。由生物、化学或物理参数所造成的薄膜的折射率指数的变化将导致干涉条纹的细微漂移。这项研究的资助单位是西班牙教育和科学部门批准的TEC2006-10665/MIC, “Ramn y Cajal” 项目，欧盟委员会批准的欧洲卓越PHOREMOST网络(FP6-511616)。参考文献1. G. Laffo

14、nt 、 P. Ferdin和, Meas. Sci. Technol. 12,765 (2001).2. K. Zhou, L. Zhang, X. Chen, 和 I. Bennion, Opt. Lett.31, 1193 (2006).3. B. H. Lee, Y. Liu, S. B. Lee, S. S. Choi, 和 J. N. Jang,Opt. Lett. 22, 1769 (1997).4. T. Zhu, Y. J. Rao, 和 Q. J. Mo, IEEE Photon. Technol.Lett.17, 2700 (2005).5. T. Allsop, R.

15、Reeves, D. J. Webb, I. Bennion, 和 R.Neal, Rev. Sci. Instrum.73, 1702 (2002).6. P. L. Swart, Meas. Sci. Technol. 15, 1576 (2004).7. D. W. Kim, Y. Zhang, K. L. Cooper, 和 A. Wang, Appl. Opt.44, 5368 (2005).8. P. Pilla, P. Foglia Manzillo, M. Giordano, M. L. Korwin-Pawlowski, W. J. Bock, 和 A.Cusano, Opt

16、. Express16, 9765 (2008).9. Y. Jung, S. Kim, D. Lee, 和 K. Oh, Meas. Sci. Technol.17, 1129 (2006).10. Q. Wang 和 G. Farrell, Opt. Lett. 31, 317 (2006).11. Z. Tian, S. S. Yam, 和 H. Loock, Opt. Lett. 33, 1105 (2008).12. J. Villatoro, V. P. Minkovich, V. Pruneri, 和 G. Badenes, Opt. Express 15, 1491 (2007

17、).13. J. Villatoro, V. Finazzi, V. P. Minkovich, V. Pruneri, 和G. Badenes, Appl. Phys. Lett. 91, 091109 (2007).14. V. Minkovich, J. Villatoro, D. Monzon-Hern和ez, S. Calixto, A. Sotsky, 和 L. Sotskaya, Opt. Express 13,7609 (2005).15. M. C. P. Huy, G. Laffont, V. Dewynter, P. Ferdin和, L.Labonte, D. Pagnoux, P. Roy, W.Blanc, 和 B. Dussardier, Opt. Express 14, 10359 (2006).16. Y. Zhu, Z. He, 和 H. Du, Sens. Actuators B 131 , 26