一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤

摘要

本发明提供了一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤，包括纤芯和包层，包层兼容传统全内反射型微结构光纤带隙包层的设计，并在纤芯与包层中分别引入复合结构与导流结构。其特征在于：在包围的带隙结构轴对称线上的一侧设有贯通一侧带隙结构的椭圆形导流孔，在纤芯处周围排布有呈倒三角形分布的三个圆形小空气孔组成的复合纤芯。本发明提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤具有制作简单、便于实现、实时传感效能优异的特点，可以用于光纤气液流体实时传感及相关领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测用开放式微结构光纤结构，具体涉及一种用于气液流体实时传感领域、可提高检测光场与被测物质交叠、兼容侧向打磨加工工艺、具有较好微导流性能、较低非线性系数和较大加工余度的复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤。

背景技术

随着工业、医学等领域的飞速发展，微结构光纤已经被越来越广泛地应用于气液传感领域。在传统微结构光纤中，许多尺寸在波长量级的空气孔呈规则排布并沿轴向延长，构成了二维带隙结构，从而实现了对光场的控制。通过对这些空气孔尺寸、孔间距大小、纤芯处实体构造等进行有针对性的设计，可望获得灵活多样的光学传感特性。但是由于在没有辅助填充设备的条件下，被测气液物质对其结构的填充通常需要数分钟乃至数小时以上，所以其在实时传感领域的应用受限。

开放式微结构光纤是在传统微结构光纤基础上引入微流体导流结构，用以增强被测流体与光纤检测光场之间的重叠和相互作用效果，进而在保证高传感灵敏度的基础上提高其实时检测的能力。检测时将开放式微结构光纤置于被测物质中，令被测物质对其开放部分实时填充。开放式微结构光纤具有设计灵活、无需辅助填充设备、可实时传感，可望为未来气体、液体和生物医学等领域中高精度实时传感器设计提供一种新的方法。利用开放式微结构光纤，可以构造一元流体性态传感系统。通过使其网络化，预期可实现对流体性态断面或空间分布的数据采集。该类型的传感系统在易燃、毒性物质的监测领域有其独到的优势。

现阶段国际上的开放式微结构光纤可分为两类。第一类是基于类似纳米线结构的WW（Wagon Wheel）开放式微结构光纤，该结构设计较为简单，制备时采用聚合物或掺杂石英玻璃材料的二次成型方法。开放式结构通过在一次成型后得到的WW结构包层中使用微机械加工进行开槽获得。由于其必须在拉制过程中保留较厚的包层以提供对内核的支撑，其开放结构中被测物质流动受限，使其传感实时性降低。WW微结构光纤的非线性系数较高，对传感过程也额外产生了一定程度的不利影响。WW微结构光纤可调整的参数较少，较难利用普通微结构光纤的设计方法。另外WW开放式微结构光纤的开放式结构加工需要引入较为复杂的微机械加工工艺，成品率低，难以与通常采用并且技术较为成熟的光纤侧向打磨工艺兼容。另一类开放式微结构光纤采用了传统的全内反射型微结构光纤设计，利用石英玻璃作为制造材料，结合二次成型法制备。在一次成型获得的微结构光纤上，利用侧向打磨工艺切去部分光纤包层，使位于纤芯处的光场能与周围被测物质获得更强的交叠，形成开放结构。该类型光纤为了保留一定的带隙结构用于限制光场，并受制于打磨工艺的局限，在加工过程中无法完全剔除残余包层的影响，另外由于结构设计的限制，这一类型的微结构光纤的光场分布为准对称形态，使光场在被测物质中的分布无法实现进一步的提升。在实际使用中通常需要令某一特定的偏振模式占优以便流体物质检测，而打磨型全内反射型微结构光纤设计也难以实现这一要求。

发明内容

本发明的目的是解决目前WW开放式微结构光纤导流特性不佳、无法兼容以往较成熟的微结构光纤设计方法与光纤侧向打磨加工工艺、加工复杂成品率低、非线性误差较大的缺点以及打磨型全内反射式微结构光纤光场-被测物质重叠性较差、打磨深度难于控制的缺点，提供一种结构简单并容易制作的开放式微结构光纤。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤，包括纤芯和包层，包层兼容本领域成熟的全内反射型微结构光纤带隙包层等边三角形规则，其特征在于：在全内反射微结构光纤带隙结构的一侧，设置贯通其带隙包层的微流体导流孔，在纤芯处排布三个圆形小空气孔形成复合纤芯，并通过采用侧向打磨工艺引入开放结构。

本发明提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤通过在包层带隙区引入了导流孔，较大程度地提升了被检测流体物质的流动速度，提升了检测的实时性效果。开放式结构的成型通过利用较成熟的光纤侧向打磨工艺实现，且由于导流孔几何尺寸较大，在加工时有一定的加工余度。三孔复合纤芯的引入对光场形成了较大的束缚作用，提高了检测光场在被测物质中的分布。同时该微结构光纤具有较低的非线性系数，不易在检测过程中引入非线性误差。

综上所述，本发明提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤具有制作简单、便于实现、实时传感效能优异的特点，可以用于光纤气液流体实时传感及相关领域。

附图说明

图1为本发明提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤完成初次拉制成型后获得的待打磨基材示意图；

图2为在图1所示的初次成型基材上经由侧向打磨，得到的复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤最终成品示意图；

图3为本发明中导流孔示意图；

图4为本发明中复合纤芯示意图；

图5为实施例1所提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤不同波长上检测光场在导流孔被测物质中的分布比例；

图6为实施例1所提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤的不同波长上的非线性系数；

图7A为实施例1所提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤垂直偏振检测光场模场分布等高线图；

图7B为实施例1所提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤垂直偏振检测光场模场分布等3D图；

图8为实施例1所提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤导流孔内流体扩散示意图；

图9为实施例1所提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤纤芯处被测物质浓度时间变化与孔内打磨深度的关系；

图10为实施例2所提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤不同波长上检测光场在导流孔被测物质中的分布比例；

图11为实施例2所提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤的不同波长上的非线性系数；

图12A为实施例2所提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤垂直偏振检测光场模场分布等高线图；

图12B为实施例2所提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤垂直偏振检测光场模场分布等3D图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

本发明提供的一种复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤制备中采用堆积法或超声波打孔法进行预制棒生成，之后采用与普通微结构光纤拉制相同的工艺即可完成一次成型，制备材料可选择石英玻璃或聚合物材料，成型后如图1所示，其中，黑色填充部分表示基底材料，而白色部分则为空气。其结构包括纤芯和包层，除导流孔外的包层与普通光子晶体光纤一致，为包围纤芯呈周期性排布、孔径在波长量级的空气孔。每三个空气孔单元形成一个正三角形，整体的带隙结构呈等边六边形。对于包层空气孔的设计可以借鉴本技术领域公知的普通光子晶体光纤通常采用的正三角形规则在基底材料中均匀排列，每个空气孔的半径为d = 1微米，孔距=2.25微米。结合图3，导流孔位于包层结构中位于等边六边形轴对称线上的一侧，该导流孔的上部边缘位于包层带隙外边缘附近，而其下部边沿位于光纤中心略上。该导流孔为椭圆形，具体形态可根据被测物质的流体特性与光纤拉制过程中的形变余度加以选取。在本实施例中，导流孔的长轴半轴距为18微米，短轴半轴距为14微米，长轴下顶点距光纤中心1.5微米。

结合图4，纤芯处为呈倒三角排布的三个圆形小空气孔，上面两个小空气孔的内径需要一致，在本实施例中，其半径为0.8微米，且分布于光纤水平轴上，距光纤中心点1.4微米，位于导流孔的下边沿附近。下面的第三个小空气孔的位置位于光纤的中心点略下，在本实施例中，低于光纤中心点1.8微米，其内径可与上述两个位于倒三角形底边的空气孔不同。增大该小空气孔会使检测光场向被测物质中的偏移增强，但是光纤拉制难度与非线性系数同样会略有增加。这三个呈倒三角分布的小空气孔对光场分布可起到强烈的限制作用，其结构对检测光纤的光学感测特性有较重要的影响。而通过对带隙包层中空气孔的尺寸与几何分布进行改变，可以对光纤的光学特性进行进一步的调整。

如图2所示，为二次成型后示意图，其中，黑色填充部分表示基底材料，而白色部分则为空气，二次成型利用侧向打磨工艺形成开放结构。打磨方向为沿导流孔上边沿光纤的垂直对称轴向下，打磨加工允许一定程度的离轴偏差。孔内打磨深度定义为从导流孔上边沿到打磨水平线的距离。该孔内打磨深度可选择为导流孔长轴的1/3到1/2，更大的打磨深度对导流检测性能提高有限，并可能造成芯区碎裂。打磨深度可允许不超过导流孔长轴剩余部分的加工误差。

检测光场在导流孔被测物质中的分布比例如图5所示，非线性系数如图6所示，其中，被测物质折射率1.3333，浓度1mol/L，流速为零。可见利用上述结构设计，可以获得较优的模场分布与非线性抑制特性。由于本发明结构的特点，垂直偏振检测光检测参数占优。在实际使用中选用垂直偏振光作为检测光。利用配合完全匹配层的有限元法分析可得，复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤在使用1550纳米波长垂直偏振检测光时的检测光场模场分布如图7所示。由于芯区三个空气孔的限制，检测光场模场分布明显向被测物质偏移。检测过程中，流体通过导流孔上部的开放部分进入其中，其扩散过程是先填充开放部分的上部，之后填充纤芯附近区域，如图8所示。如图9所示，对于本例所示几何尺寸导流孔及流体被测物质为静止的情况，2微米以上的孔内打磨深度都可以保障被测液体对纤芯附近的填充时间小于10秒。而在如果被测流体的流速不为零，则填充速度将会有进一步的提高。

针对本发明所提出的复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤，通过选择不同的纤芯空气孔尺寸与排布、包层空气孔尺寸与排布及导流孔形态，可使其在一定范围内具有不同的光场分布和微流体导流特性，以满足不同的应用需求。

实施例2

本实施例提供了另一种在纤芯区使用非均一尺寸空气孔的复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤，该光纤的基底材料为石英玻璃，纤芯区域倒三角形顶边的两个空气孔位于光纤的水平轴上方0.9微米处，距离光纤对称轴1.3微米，其半径为0.6微米。倒三角形顶点的空气孔位于光纤中心点正下方0.4微米处，其半径为1.15微米。导流孔与实施例1相同。包层中空气孔2按照本技术领域公知的普通光子晶体光纤通常采用的正三角形规则在基底材料中均匀排列，每个空气孔的半径为d=1微米，孔距=2.25微米。

检测光场在导流孔被测物质中的分布比例如图10所示，非线性系数如图11所示。利用配合完全匹配层的有限元法分析可得，所述复合纤芯偏独孔导流开放式微结构光纤在使用1550纳米波长垂直偏振检测光时的检测光场模场如图12所示。