《Optical Fiber Technology》：Operation principle of a novel refractometer based on U-bent specialty photonic crystal fiber
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Vladimir P. Minkovich|Alexander V. Kir’yanov|Sergio Calixto|Mauricio Salazar Sicacha墨西哥戈亚斯州莱昂市Loma del Bosque 115，A.C.光学研究中心光子学部门，邮编37150摘要我
Vladimir P. Minkovich|Alexander V. Kir’yanov|Sergio Calixto|Mauricio Salazar Sicacha
墨西哥戈亚斯州莱昂市Loma del Bosque 115，A.C.光学研究中心光子学部门，邮编37150
摘要
我们报告了一种新型折射率传感器的设计及其工作原理验证，该传感器基于特殊设计的单模U形光子晶体光纤。该传感器利用在U形光纤内、甘油-水溶液界面处形成的包层回音壁模式与光纤基模之间的模式干涉效应。由于此类溶液的折射率与甘油浓度呈线性关系，因此甘油浓度在较大范围（0至100%）内的变化使得该传感器非常适合用于检测折射率的变化（从约1.33变为约1.46），进而实现折射率检测功能。实验中，我们使用了曲率半径D在18至40毫米之间的U形光纤。实验结果表明，这种基于光纤的折射计结构简单，且对环境温度变化（25°C至约100°C范围内）具有极高的稳定性，其折射率灵敏度高达约4.5×λ纳米/RIU（在可见光波段约为3×103纳米/RIU，在近红外波段约为4×103纳米/RIU），同时其工作波长范围可从可见光（λ约650纳米）延伸到近红外光（λ约1000纳米）。
引言
光纤折射率传感器在许多实际应用中都非常有用，因为通过折射率测量可以确定多种物理、化学和生物参数。这类传感器体积小、重量轻，而且对电磁场的干扰具有很强的抗性。在科学文献中已经提出了多种基于光纤的折射计，包括短周期光栅[1]、[2]、[3]，长周期光栅[4]、[5]，以及基于传统光纤或光子晶体光纤的各种模式干涉仪[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]等。需要指出的是，用于这类折射计的光纤通常需要进行预处理和后处理，比如光栅制作、渐细处理、熔接等。由于经过这些处理后光纤会变得更加脆弱，因此需要专门的设备来完成这些操作。另外，基于传统光纤的U形光纤折射率传感器由于成本较低且制造工艺不复杂，多年来一直被广泛研究和应用。在使用U形光纤折射计时，人们利用了衰减波吸收[12]、[13]、表面等离子体共振[14]、[15]、局域表面等离子体共振[16]、[17]、损耗模式共振[18]以及干涉效应[19]、[20]。与其他非干涉型传感器相比，干涉型光纤传感器因其对温度、应变、压力和折射率等物理参数的极高灵敏度而备受重视。对于基于U形光纤的干涉型折射计而言，其工作原理在于光纤包层模式——即所谓回音壁模式[21]——在光纤的大弯曲区域产生的多模干涉与光纤基模之间的干涉，从而形成马赫-曾德尔干涉仪[22]。在这种干涉仪的传输光谱中会出现多个共振峰或谷，而这些峰谷的位置会随着周围介质折射率的变化而发生偏移[23]、[24]。需要注意的是，[22]、[23]、[24]中所使用的用于光通信的传统光纤本身具有较低的弯曲损耗。因此，为了使光纤包层模式中有足够的信号强度，U形传统光纤的弯曲半径R通常需小于几毫米；而要实现较小的弯曲半径，则需要额外的热处理工艺。此外，U形传统光纤本身也相当脆弱。考虑到这些缺点，人们认为使用特殊的光子晶体光纤或许可以作为替代传统光纤来制造干涉型U形折射计。正如我们之前所展示的[25]，那种具有实心芯层以及包层中两个空气通道环的特殊U形硅玻璃光子晶体光纤，在大弯曲情况下会因为基模与包层模式之间的耦合而出现明显的损耗峰，而且这种效应在很大程度上取决于光纤相对于弯曲平面的排列方式。在[25]中，我们研究了曲率半径D=2R在20至45毫米之间的U形光子晶体光纤。作为该项研究的延续，据我们所知，我们首次展示了基于这种特殊U形光子晶体光纤的新型折射计，对其用于折射率检测的基本性能进行了全面测试，结果发现了它的一系列显著优势。
内容节选
制造原理与工作原理
我们使用的光子晶体光纤是在我们自己的实验室中制造的，它是一种特殊类型的光纤，具有实心硅玻璃芯层，以及包层中的两个空气通道环。该光纤的外径为124微米，聚合物涂层的直径为220微米，空气通道的平均直径为3.31微米，通道间的平均间距为9.10微米，详见图1(d)；相关内容也可参考[25]。在550至1700纳米的宽光谱范围内，该光纤为单模光纤。
实验装置
结果与讨论
在介绍实验结果之前，我们先简要说明本次研究中折射率检测所依据的原理。
如果仅考虑参与干涉的基模和其中一个包层模式（回音壁模式），其有效折射率分别为n1和n2，那么干涉图的强度可以用以下公式表示：It=I1+I2+2I1I2cosΔθ,其中1和2分别代表两种干涉模式的强度，Δθ则表示两者之间的相位差。
结论
总而言之，我们提出并通过实验验证了一种基于特殊U形折射率引导光子晶体光纤的高灵敏度折射计。与现有的其他所有光纤折射率传感器相比，这种折射计具有以下优势：（1）它基于一种结构简单的光子晶体光纤，其包层中仅有两个空气通道，且无需任何预处理或后处理工序即可制造。（2）它的灵敏度极高，最大灵敏度可达约4000纳米/RIU。（3）
作者贡献说明
Vladimir P. Minkovich：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，可视化处理，结果验证，项目监督，方法设计，实验研究，数据整理，概念构思。Alexander V. Kir’yanov：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，可视化处理，方法设计，实验研究，数据整理。Sergio Calixto：可视化处理，结果验证，实验研究，数据整理。Mauricio Salazar Sicacha：可视化处理，结果验证，实验研究，数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
