基于大空气孔保偏微结构光纤偏振回旋滤波器的光微流折射率传感器研究

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近年来,生命科学与生物技术取得了迅猛发展。对于生化物质成分和含量等信息的有效获取,是进行生命科学等领域研究的必要前提,这依赖于高效精确的生化分析技术和工具。光学生化传感器具有测量精度高、响应速度快等优点,通过各种光学传感器结构的构造,可满足生物化学传感领域的不同需要,受到研究者们的青睐。微流控技术是生化分析领域的前沿技术,相比于传统分析技术,具有样品用量少、响应速度快等突出优点。本世纪初,微流控技术与光子学交叉融合诞生了光微流技术这一新兴的研究领域。光微流传感器的设计思想是,在设计光学传感结构时考虑如何架构微流通道,将光学结构与微流通道集成以构成光信号与微流相互作用的平台,并实现对微流生化成分变化的测量。光子晶体光纤,又称微结构光纤(MOF)是近年光纤光子学领域的一项重大创新,它具有许多传统光纤所没有的优异特性。特别的是,其横截面沿轴向不变的空气孔可直接作为微流通道,因而光波与微流能够在光纤内直接相互作用,这为发展新型光微流传感器提供了新的机遇与可能。与传统光微流传感器相比,基于微结构光纤的纤内光微流传感器具有光波与微流作用距离长、结构紧凑、便于光信号耦合等突出优点。我们提出了一种基于大空气孔保偏微结构光纤偏振回旋滤波器的光微流折射率传感器。在保偏微结构光纤沿着轴向引入周期性往复扭转结构,可实现光纤中正交偏振模的谐振耦合,通过偏振检测,可得到类似于长周期光栅的透射光谱,从而得到一个偏振回旋滤波器。基于耦合模理论,我们仿真了该器件的透射光谱。在该器件两端与单模光纤连接处分别接入一小段C形光纤,可将待测液体导入和导出微结构光纤的空气孔而不影响单模光纤与微结构光纤的光信号耦合,从而得到一个全光纤的光微流折射率传感器。我们通过有限元分析方法模拟了微流折射率在1.333附近变化时保偏微结构光纤的模式双折射色散曲线,进而可得不同微流折射率的透射光谱,通过追踪光谱波长漂移,得到了7196.4nm/RIU的折射率灵敏度;我们还发现,当按比例缩小光纤尺寸时,可将其灵敏度提升至16754nm/RIU。
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