建立在光子晶體光纖傳感器上的量測折射術(shù)(共7頁)

1、Refractometry based on a photonic crystal fiber Interferometer 基于(jy)光子(gungz)晶體光纖干涉儀的量測折射(zhsh)術(shù)Rajan Jha,1,* Joel Villatoro,1,3Gonal Badenes,1和 Valerio Pruneri1,21西班牙，(巴塞羅納), 地中?？萍紙@, Castelldefels市 08860 號，地中?？萍紙@，ICFO-Institut de Cincies Fotniques,以及西班牙，(巴塞羅納), 08010號,ICREA-Instituci Catalana de R

2、ecerca i Estudis Avanats, joel.villatoroicfo.es我們報告的是一個應用于量測折射術(shù)的簡潔的的干涉儀模態(tài)。該裝置由拼接的標準的單孔纖維的大孔光子晶體纖維（光子晶體纖維PCF）存根組成。在拼接區(qū)域，光子晶體纖維（光子晶體纖維PCF）的真空部分完全瓦解，這就使得光子晶體纖維（光子晶體纖維PCF）的核心和包層模復合、連接起來。這個裝置能保持長久的穩(wěn)定，溫度敏感性低，適合測量系數(shù)范圍為1.3301.440的波長。這種測量折射系數(shù)的方法是由干涉模式的轉(zhuǎn)換監(jiān)測的。 2009 Optical Society of America OCIS codes: 060.23

3、70, 060.5295, 120.3180, 280.4788.由于其眾多的應用，從科學和技術(shù)的角度看，量測折射術(shù)都是非常重要的。另一方面，應用于量測折射術(shù)的簡潔的的干涉儀模態(tài)的發(fā)展對工業(yè)加工的應用、食品和飲料行業(yè)等的質(zhì)量控制是非常關(guān)鍵的。在另外一方面，折射率干涉儀于研究不同的生物或化學的標本也是有用的。光纖折射計和折射率干涉儀是很有吸引力的，由于其體積小，設(shè)計靈活，抗電磁干擾，網(wǎng)絡兼容性強和可用于遠程和近程測量。設(shè)計有效的光纖折射計，一是需要抓住轉(zhuǎn)瞬即逝的導光光波，而不影響設(shè)備的穩(wěn)定性。此外，一個理想的折射計應該符合成本效益，并能夠測量高分辨率、大范圍的光波。折射計是基于傾斜的布拉格光柵、

4、長周期光柵，和一些干涉儀模態(tài)，；來滿足這些條件的，但他們有幾個缺點1-11，如成本高，對溫度靈敏度高干涉儀模態(tài)容易漂移，因為它們很容易受到模式聯(lián)接情況的擾動。在這封信中，我們提出(t ch)了一個建立(jinl)在一個(y )強大的全光纖模態(tài)干涉儀的基礎(chǔ)上的簡潔的的折射計，該全光纖模態(tài)干涉儀是通過簡單和行之有效的熔接制造的。該設(shè)備利用光子晶體光纖模態(tài)的性質(zhì)，而通過幾片標準的光纖進行采集。此設(shè)備的制造很簡單，因為它只涉及到在一個標準的光纖實驗室進行12,13的切割和拼接過程，可以測量折射率的范圍相當廣泛，從1.33（水環(huán)境）到1.44（生物分子），分辨率為此前提到的建立在光子晶體纖維上的的折射計

5、和指數(shù)傳感器依靠拉錐或光柵技術(shù)14-18。大部分孔的設(shè)計有必要滲透這些樣品的技術(shù)。在我們這個案例里，通過短暫的光子場和光子晶體纖維的外圍部分的材料樣本的互動來測量折射率是有可能的。要制造這個設(shè)備，幾厘米長的商用光子晶體纖維（ LMA - 8晶體光纖A / S ），通過使用傳統(tǒng)的熔接機器，熔接到一個標準光纖(Corning SMF-28)。通過這樣一種熔接方式，光子晶體纖維（光子晶體纖維PCF）的真空部分在短距離內(nèi)就完全瓦解，此區(qū)域通常小于300 。圖1顯示了使用光子晶體纖維（光子晶體纖維PCF）下的顯微鏡圖片，即，傳感器圖，實驗裝置圖。為了采集從光纖平面射到光子晶體纖維的干涉儀光線，然后傳送的

6、光線輸送到一個光學頻譜分析儀。要測量的液體沉積在光子晶體纖維（光子晶體纖維PCF）的外表面，與 19的方式類似。然而，目前的做法不能使液體進入光子晶體纖維（光子晶體纖維PCF）的空隙。由于表面張力和分子間的相互作用力，無論是在液體或氣體的階段的污染物都可以在反射過程中進入裝置的空洞里，從而使清潔更為困難，尤其是對設(shè)備的重新使用。此外，執(zhí)行跨任務的的設(shè)備不需要使用任何光纖光環(huán)行器，正如在19的報告。這不僅提供了更廣的波長運動范圍（10倍大）而且大大降低了設(shè)備的復雜性和成本。要了解(lioji)干涉儀的工作原理，讓我們來分析從太陽(tiyng)磁場SMF到光子晶體(jngt)纖維PCF（圖1）時的

7、導梁。當它進入一片堅實的玻璃時，基本的SMF模式開始衍射，即折疊的的光子晶體纖維PCF區(qū)域。由于衍射，模變寬了，使得光子晶體纖維PCF 區(qū)域的核心和包層模收到了刺激12,13。光子晶體纖維PCF的纖芯和包層模的傳播常數(shù)是不同的。因此，當他們沿著光子晶體纖維PCF區(qū)域傳播時，模聚集了相位差。相位差取決于導光的波長，還有模運動的距離，( L , 或光子晶體纖維PCF的長度)，過了光子晶體纖維PCF后，模到達了另一片堅實的玻璃，即，另外一個折疊的光子晶體纖維PCF的底部。然后他們進一步衍射，通過隨后的太陽磁場的過濾又結(jié)合。因此，我們的干涉儀的傳播可以這樣表述成雙孔干涉儀 8的如下式子：和是核心和包層

8、模的密度，是核心和包層模的有效折射率的差值。L是雙孔在光子晶體纖維PCF區(qū)域運動的距離。從裝置（1）可看到，我們的干涉儀的傳播會展示出周期性的最高點和最低點。在圖2所示的例子中，我們展示了干涉儀穿過用80mm的光子晶體纖維PCF制作的裝置達50nm，這種周期性表明干涉主要出現(xiàn)在基本核心模和一層包層模之間。我們也可發(fā)現(xiàn)，當m是整數(shù)時，這類干涉的最高點就會出現(xiàn)。因此，當波長為時，這類干涉模式就出現(xiàn)頂點。連續(xù)的最高點出現(xiàn)的間隔為模態(tài)干涉儀的性能(xngnng)，穩(wěn)定性，溫度取決于對此模的元素(yun s)的嚴格要求。在我們的干涉儀中，模的刺激和重新結(jié)合由永久和穩(wěn)定的拼接來實施。這些不會隨著時間(sh

9、jin)或溫度的變化而下降；因此，高度穩(wěn)定的干涉儀是能夠制造的。在圖2中，例如，我們顯示出，用平均漂移作為用80nm的光子晶體纖維制造的裝置的時間檢測器。我們用10pm分辨率的纖維布拉格采集器追蹤在21個小時內(nèi)出現(xiàn)的所有最高點的位置。在測量過程中，保持干涉儀直立隔離。我們觀察到小于15pm的漂移，表明高度的穩(wěn)定性對感應應用時非常重要的。如圖2所示，我們還研究了在24 C 240 C范圍內(nèi)的溫度依賴性。注意到，溫度的變化超過200 C，那么在干涉儀模型的總的漂移1.5 nm，因而，我們建議非常低的溫度依賴性。一般根據(jù)不同的裝置參數(shù)，溫度在5 8 pm/ C。要注意包層模的短暫的波到達光子晶體纖維

10、的外表面，這樣和液體或涂層的互相作用就有可能發(fā)生。在我們的干涉儀中，這種相互作用只和包層模發(fā)生，因為核心模與外部環(huán)境隔絕。有外調(diào)制器光調(diào)制指數(shù)的核心模和由此導致的相位差。結(jié)果是，干涉儀的最高點和最低點的位置發(fā)生了改變，例如，圖3和4顯示了兩個干涉儀在1490 1590 nm范圍內(nèi)的傳播光譜，L分別為L= 17 mm 和32 mm，被高指數(shù)的空氣（折射率為1）和液體包圍。這兩個干涉器的漂移依靠外部指標。這些數(shù)據(jù)還表明長度在1490 1590 nm的波長的漂移在這兩個裝置中都起著外部指標的作用。因為這些實驗數(shù)據(jù)采取的是不完全正規(guī)的干涉條紋，所以這些偏離標準的偏差是可以理解的。有校準(jio zhn

11、)指數(shù)的浸鏡油用于實驗。在連續(xù)時，用丙酮清洗光子晶體纖維的表面，然后用氮干燥以保證在每次測量(cling)時的條件不變。我們可從圖3和4中看出，干涉的漂移隨著外部指數(shù)靠近纖維而變得更加明顯。在這方面，我們(w men)的干涉器的行為類似于基于光柵1-8的基礎(chǔ)的干涉器上。由于更長時間的相互作用和更銳利的邊緣組合在一起，較長的設(shè)備可能會更為敏感，但超過一個周期的漂移在實際情況下可能是不受歡迎的。我們的設(shè)備為靠近光子晶體纖維的玻璃的指數(shù)展示了最高的敏感性。在那個值以上，包層模變成了一個有效的輻射模式，而干涉條紋消失了。在1.38144的指數(shù)范圍內(nèi)的長度為32mm的干涉器的最高分辨率為能與商用的驗光儀

12、相媲美。然而，指標在1.331.38范圍內(nèi)的分辨率為。要計算這些數(shù)據(jù)，設(shè)想100 pm的漂移可以用檢波器解決（盡管我們使用的光纖光柵采集器的分辨率為10 pm）。重要的是指出基于邊緣漂移的感應裝置，能檢測到的最大的漂移和它們的半最大值全波的寬度有關(guān)。較寬的干涉條紋的限制一般為半最大值全波 FWHM/ 100。在我們的例子中，可以制作10納米寬的條紋干涉儀，以此證明了上述數(shù)字。較短的波長在兩個折射指數(shù)的范圍，分辨率都略低。請注意，溫度梯度接近20C會造成100pm的漂移，因此溫度補償可能不會需要這種類型的折射，如果它們在正常的環(huán)境中使用。總之，在很寬的波長(bchng)范圍內(nèi)運動(yndng)的

13、簡潔(jinji)的干涉器模態(tài)干涉已經(jīng)應用于折射率測量。其構(gòu)造包括在標準單模纖維之間熔接的不同長度的大模場面積光子晶體光纖。我們對干涉器的折射性能進行了研究，已知液體的折射率范圍1.33-1.45?；谡凵渎首兓母袘彩强尚械?。例如，光子晶體光纖可用任意指數(shù)和厚度的溶膠、凝膠或金屬薄膜作為其外皮。由生物、化學或物理參數(shù)所造成的薄膜的折射率指數(shù)的變化將導致干涉條紋的細微漂移。這項研究的資助單位是西班牙教育和科學部門批準的TEC2006-10665/MIC, “Ramn y Cajal” 項目，歐盟委員會批準的歐洲卓越PHOREMOST網(wǎng)絡(FP6-511616)。參考文獻1. G. Laffo

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