超小型微腔氣體傳感器制造技術

本實用新型專利技術涉及一種超小型微腔氣體傳感器，包括光源、光耦合模塊、微腔模塊和光譜探測器。所述光耦合模塊包括全反射鏡、起偏器、透鏡和耦合光纖；所述微腔模塊包括一維光子晶體納米腔，該一維光子晶體納米腔腔體上含有與腔體呈中心對稱分布的漸變空氣孔和反射鏡區空氣孔陣列；所述微腔結構的缺陷態和其高斯型光子阱與增益介質的完美匹配，使得該微腔具有高品質因子Q和低模式體積V，從而實現對氣體折射率的高精度探測。本實用新型專利技術超小型微腔氣體傳感器檢測靈敏度可達180納米/單位折射率，其分辨率可達0.0001；且具有體積超小、低損耗的特點。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及一種氣體傳感器，特別涉及一種基于寬度拋物線型和漸變孔徑的一維光子晶體超小型微腔的氣體傳感器，屬于氣體傳感器領域。
技術介紹
近年來，氣體傳感器在環境質量檢測、工業生產過程和衛生安全等領域的應用越來越廣泛。氣體傳感器作為檢測氣體參數的關鍵部件，其檢測的原理主要是通過感知環境中某種氣體，將與該種氣體種類和濃度有關的信息轉換成相關的物理參量，從而進行氣體的檢測、監控、分析、報警等。 氣體的純度、含水量等都與氣體的介電常數有關，而氣體的介電常數又與其折射率有關，因此，只要能夠精確地測量出氣體的折射率就可以實現對氣體的純度、含水量等參數的精確測量。目前，使用氣體傳感器測量氣體的折射率，大多是通過干涉法來實現，主要是利用邁克爾遜干涉法和馬赫一曾德爾干涉法來實現氣體折射率的測量。但利用這兩種測量方法的氣體傳感器均存在體積大、不易集成、不能自動檢測和遠程傳輸的局限。當今，氣體傳感器引起了測量氣體折射率或者傳輸變化的廣泛關注。而在氣體傳感器中使用引入缺陷形成的光子晶體腔作為氣體傳感器的窄帶濾波器件是很有優勢的，由于光子晶體腔的高品質因子保證了窄帶濾波器輸出譜線的窄頻寬，所以當外界環境條件改變即待測氣體的折射率改變時，窄帶濾波器所對應的腔長也會變化。由于其頻寬超窄，氣體傳感器能探測到的相應譜線也變得較為容易，這為設計氣體傳感器提供了新的平臺。由于光子晶體微腔結構具有較高的微腔諧振品質因素和較小的模式體積，因而它已經被用于氣體傳感器領域，但是，目前大部分所用于氣體傳感器的光子晶體微腔都是基于平板光子晶體腔。E. Chow等人提出一種基于二維光子晶體微腔結構的氣體傳感器，該氣體傳感器的光子晶體微腔模塊為一個三角晶格光子晶體，在該光子晶體微腔模塊上設置一系列的氣孔，與位于該光子晶體模塊上的第一波導和第二波導形成一個“申”字型的結構。該氣體傳感器用于探測氣體折射率的變化，但是，光能在上述氣體傳感器的光子晶體模塊中透過率很低且這種傳感器所探測到的折射率變化只有O. 002。因此，提出一種具有高的靈敏度和分辨率的氣體傳感器，具有重要的意義，也是本技術的任務所在。
技術實現思路
本技術的目的就是在于克服現有技術中所存在的缺陷和不足，而設計一種新型的基于一維光子晶體納米線腔的超小型微腔氣體傳感器。該氣體傳感器具有測量準確，高靈敏度和低損耗的特點。本技術的基本設計思想是設計一種基于寬度拋物線型和漸變孔徑的一維光子晶體納米線腔的超小型微腔氣體傳感器。它包括光源、光耦合模塊、微腔模塊和光譜探測器；該光耦合模塊進一步包括全反射鏡，在全反射鏡的反射面設置起偏器，透鏡，還在起偏器的透射面，透鏡的前面或后面設置耦合光纖；微腔模塊進一步包括納米線腔，設置于該納米線腔上的氣孔和固定該納米線腔的腔體測試盒；所述光源發出的光經全反射鏡反射后進入起偏器，由透鏡聚焦耦合至耦合光纖后進入微腔模塊。由于所述光子晶體納米線腔的光學模式的緊約束性對外界環境變化即氣體折射率變化具有高靈敏度；當環境中所要測量的氣體折射率對比度提高時，納米線腔的光子帶隙加寬且諧振波長發生偏移，利用光譜探測器接收納米線腔的輸出光場變化，進而得到待測氣體的折射率大小。為實現本技術的上述目的，本技術采用以下技術措施構成的技術方案來實現的。本技術提出的一種超小型微腔氣體傳感器，其特征在于包括光源、光耦合模塊、耦合光纖、微腔模塊、耦合連接光纖和光譜探測器；所述光耦合模塊進一步包括全反射鏡、起偏器和透鏡；所述微腔模塊進一步包括納米線腔和腔體測試盒；所述光源發出的光經光耦合模塊中的全反射鏡反射后進入起偏器，再由透鏡聚焦耦合至耦合光纖后進入微腔模塊，所述耦合光纖設置于透鏡的后面，然后發出的光經過微腔模塊再進入耦合連接光纖，并由放置于該微腔模塊另一端的光譜探測器接收納米線腔的輸出光場變化，進而得到待測 氣體的折射率大小。上述技術方案中，所述起偏器和透鏡設置于全反射鏡的反射面。上述技術方案中，所述的納米線腔的腔型是基于寬度拋物線型和漸變孔徑組成的自由懸浮式結構的一維光子晶體微腔；所述納米線腔包括缺陷區，漸變區和反射鏡區，其上設置有氣孔，納米線腔由腔體測試盒固定。上述技術方案中，所述的納米線腔上設置的氣孔為與其呈中心對稱分布的漸變區空氣孔和反射鏡區空氣孔。上述技術方案中，所述的耦合光纖和耦合連接光纖用作光進入和連接的部分，其形狀均為錐形光纖。上述技術方案中，所述的光源為LED光源，或激光光源。上述技術方案中，所述的光譜探測器為光譜分析儀。上述技術方案中，所述的腔體測試盒置于待測氣體中，氣體能自由地在腔體測試盒內流通。上述技術方案中，所述的納米線腔上的氣孔對應納米線腔的晶格常數a設置；其上呈中心對稱分布的反射鏡區空氣孔一邊的空氣孔個數不少于3個，且呈均勻分布，空氣孔的半徑滿足r= Pa，其中β為系數。上述技術方案中，所述的納米線腔上呈中心對稱分布的一邊的漸變區空氣孔個數不少于3個，且漸變區空氣孔的半徑r從中心向兩邊呈線性增大變化，線性變化對應的線性方程為r=i3an，其中β為系數，an為漸變空氣孔的兩孔中心之間的孔間距，最小的孔間距為a1； B1=Ct a，其中α為系數。本技術所述的超小型微腔氣體傳感器由于其光子晶體納米線腔的光學模式的緊約束性對環境變化具有高靈敏度，當折射率對比度提高，納米線腔光子帶隙加寬且諧振波長發生偏移。諧振波長與氣體折射率變化的關系如下(Λ λ+ λ )/λ =l+(r/neff) Λη (I)其中λ是波長值，(Δ λ + λ)是諧振波長的擾動值，neff是在納米線中有效折射率未受擾動值，Γ是重疊在氣體上的模功率，微小的Vn變化也會導致Λ λ變化。假設響應因子R被用來描述諧振波長λ或者頻率與氣體折射率的關系ΛχΔ = Δ^=Δ (2) η λ ω其中，Λ η、Λ λ和Λ ω分別 表示折射率變化，波長偏移和頻率偏移；R表示超小型納腔氣體傳感器的靈敏度。微腔的Q因子等于λ/Λ λ '，其中Λ λ '是半高全寬(FWHM);所以微腔Q因子越高，波長分辨率越高，相應地，氣體折射率的精確度也越高。由于所述的超小型微腔氣體傳感器的微腔結構的缺陷態和其高斯型光子阱與增益介質的完美匹配，使得該微腔具有高品質因子Q和低模式體積V，從而實現所述傳感器對氣體折射率的高精度探測。本技術與現有技術相比具有以下特點和有益技術效果I、本技術所公開的超小型微腔氣體傳感器，由于其基于寬度拋物線型和漸變孔徑的一維光子晶體微腔的結構缺陷態和其高斯型光子阱與增益介質的完美匹配，使得該微腔具有高品質因子Q和低模式體積V，從而實現氣體傳感器對氣體折射率的高精度探測。整個技術方案中沒有提到光子晶體微腔結構2、本技術所公開的超小型微腔氣體傳感器，由于其光子晶體微腔是一維腔體，同二維光子晶體平板腔相比，實現了相同量級Q值的情況下，尺寸更小，功耗更低。3、本技術所公開的超小型微腔氣體傳感器，其結構簡單、性能穩定、且具有較高的靈敏度和分辨率；其靈敏度可以達到180納米/單位折射率，分辨率可以達到O. 0001。附圖說明圖I是本技術超小型微腔氣體傳感器的整體結構示意圖；圖2是本技術超小型微腔氣體傳感器的光子晶體微腔結構示意圖；圖3是本技術實施例一中不同折射率的待本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種超小型微腔氣體傳感器，其特征在于包括光源（1）、光耦合模塊（14）、耦合光纖（5）、微腔模塊（15）、耦合連接光纖（9）和光譜探測器（10）；所述光耦合模塊（14）進一步包括全反射鏡（2）、起偏器（3）和透鏡（4）；所述微腔模塊（15）進一步包括納米線腔（6）和腔體測試盒（8）；所述光源（1）發出的光經光耦合模塊（14）中的全反射鏡（2）反射后進入起偏器（3），再由透鏡（4）聚焦耦合至耦合光纖（5）后進入微腔模塊（15），所述耦合光纖（5）設置于透鏡（4）的后面，然后發出的光經過微腔模塊再進入耦合連接光纖（9），并由放置于該微腔模塊另一端的光譜探測器（10）接收納米線腔（6）的輸出光場變化，進而得到待測氣體的折射率大小。

【技術特征摘要】
1.一種超小型微腔氣體傳感器，其特征在于包括光源(I)、光耦合模塊(14)、耦合光纖(5)、微腔模塊(15)、耦合連接光纖(9)和光譜探測器(10);所述光耦合模塊(14)進一步包括全反射鏡(2)、起偏器(3)和透鏡(4);所述微腔模塊(15)進一步包括納米線腔(6)和腔體測試盒(8);所述光源(I)發出的光經光耦合模塊(14)中的全反射鏡(2)反射后進入起偏器(3)，再由透鏡(4)聚焦耦合至耦合光纖(5)后進入微腔模塊(15)，所述耦合光纖(5)設置于透鏡(4)的后面，然后發出的光經過微腔模塊再進入耦合連接光纖(9)，并由放置于該微腔模塊另一端的光譜探測器(10)接收納米線腔(6)的輸出光場變化，進而得到待測氣體的折射率大小。2.根據權利要求I所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述起偏器(3)和透鏡(4)設置于全反射鏡(2)的反射面。3.根據權利要求I所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述的納米線腔(6)的腔型是基于寬度拋物線型和漸變孔徑組成的自由懸浮式結構的一維光子晶體微腔；所述納米線腔(6)包括缺陷區(11)，漸變區(12)和反射鏡區(13)，其上設置有氣孔(7)，納米線腔(6)由腔體測試盒(8)固定。4.根據權利要求I或3所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述的納...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馮國英，馮琛，周壽桓，鮮佩，
申請(專利權)人：四川大學，
類型：實用新型
國別省市：