[实用新型]太赫兹微结构双芯光纤超灵敏微流体传感器

说明书

本实用新型提供了一种太赫兹微结构双芯光纤超灵敏微流体传感器，其基本结构由涂覆层、包层和左右两纤芯组成，其特征是左芯为输入端口，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。本实用新型利用太赫兹波的宽带特性和双芯光纤的模耦合效应，构建了一个宽带、超灵敏的微流体折射率传感器。在生物、化学、医药等对传感和测量有高精度要求的领域，有广阔的应用前景。

技术领域

本实用新型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。

背景技术

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）又被称为多孔光纤（HoleyFiber, HF），或微结构光纤（Microstructure Fiber, 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。

发明内容

本实用新型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，因此本实用新型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。