[发明专利]一种基于二维光子晶体的气体折射率检测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体折射率检测器，特别是涉及一种基于光子晶体的十字形线缺陷波导气体折射率检测器。

技术背景

光子晶体从1998年到现在取得了巨大的发展，越来越多的科学家和企业家开始关注光子晶体的发展。二维光子晶体由于相对容易制造以及所具有的许多光学特性，在各种研究中受到关注。光子晶体的重要特性是光子禁带的存在。在光子晶体中引入缺陷后由于缺陷模的出现，就可以对光子晶体进行控制。如引入点缺陷组，可以实现谐振腔，而引入线缺陷，就可以实现光子晶体波导。通过光子晶体对光路的控制以及光子晶体自身结构对光输出的影响，使得光子晶体在检测器方面有着较大的潜力。目前的光子晶体器件多用于滤波器、功率分配器的制作，而基于光子晶体的检测器则多是对蛋白质和液体的检测。如文献1：Mindy Lee and Philippe M.Fauchet.Two-dimensional silicon photonic crystal based biosensing platform for protein detection.OPTICS EXPRESS.2007,15(8).4531.中公布了基于光子晶体的蛋白质检测器；文献2：OferLevi,Meredith M.Lee,Jingyu Zhang,Virginie Lousse,Steven R.J.Brueck,Shanhui Fan,and James S.Harris.Sensitivity analysis of a photonic crystal structure for index-of-refraction sensing.Proceedings of SPIE.2007 6447,64470.中公布了基于光子晶体的溶液折射率检测器。在气体检测方面，光子晶体的应用仍然较少，本发明是对气体折射率的检测，基于光子晶体的器件体积小易于与激光器件集成，结构特性稳定，寿命较长可以重复利用，使其在检测器的集成应用中有着较好的前景。

在石油、化工、冶金、电力、医药等行业中，都要求对各种气体介质进行计量和控制，这对保证产品质量，节省能源，降低原材料消耗和加强经济核算有着重要的意义。而且如何全面有效的对有毒气体密度进行精准和实时监测，对保障生产、人生安全有十分重要的意义。传统的气体监测技术通常是基于非光学的监测，如采用电化学和半导体技术上的点式传感器，虽然这些传感器可以达到足够低的监测限，但其敏感膜表面易受污染，而且其响应比较迟钝，可重复利用率低，使用寿命较短，难以实现实时在线连续监督。当前，基于光谱吸收技术的光纤气体探测器现在正被用于环境安全和工业过程监控等众多应用领域。然而，这种气体监测技术系统复杂，且易受光源的影响，稳定性比较差。近年来，光纤法珀干涉传感器在气体折射率/浓度测量领域受到人们的广泛关注。但光纤法珀干涉传感器的强度低、腔长比较短、分辨率低、误差大，在实际应用中受到限制。鉴于以上各种较为成熟的气体检测技术存在各方面的缺陷，设计一种性质优良的气体检测装置就显得迫在眉睫。

发明的内容

本发明提供一种体积小、结构稳定、易于集成且可重复使用的基于光子晶体的气体折射率检测器。该检测器将待测气体作为基质充入光子晶体模块，通过左右通道的耦合效率的比值，实现对待测气体折射率的有效检测。

本发明为了实现上述的目的采用了以下的结构：

本发明提供了一种基于光子晶体的气体折射率检测器，其特征在于，具有：介质柱，介质柱在二维空间上呈晶格形式排列形成光子晶体。光子晶体包含横、纵方向设置的线缺陷，两条线缺陷呈十字形波导结构的通道，并将光子晶体分成对称的复数个区块。光子晶体包含一对点缺陷组，点缺陷组对设置在一条线缺陷所形成的通道上。光子晶体相对设置有输出端，光子晶体设置有输入端，输出端配置了光功率探测器，输入端配置了激光发射器。装有光子晶体气室，以及外部连接计算部。

在本发明所涉及的气体折射率探测器中，光子晶体的晶格常数为0.545～0.555μm，介质柱的相对介电常数大于基质的介电常数，基质为待测气体，介质柱的材料为硅。

进一步，线缺陷的宽度为晶格常数的2倍；

进一步，点缺陷组设置在横向设置的线缺陷形成的通道上，并以纵向设置的线缺陷为中心线对称设置有两组点缺陷组，分别为第1点缺陷组和第2点缺陷组。