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摘要

基于D型光纤与回音壁模式的微管谐振腔耦合, 结合微流控技术, 本文提出一种折射率传感器, 其中耦合区采用全封装方式. 此传感器所需液体样本很少(约5 nL), 不易碎, 抗环境干扰能力、可移植性和重复性优于一般光纤与微腔耦合的传感器. 通过数值仿真, 研究了微流控微管谐振腔的谐振特性, 并分析了折射率传感的性能. 研究结果表明, 管壁厚度和液体折射率对传感性能影响比较大, 谐振波长漂移量与液体折射率有良好的线性关系, 折射率灵敏度高(510.5—852.7 nm/RIU), Q值可达5.53 × 10 ⁴, 探测极限可达2.11 × 10 ^–6.

关键词:

Abstract

Based on the coupling between the D-shape fiber and the microtube resonator in the whispering gallery mode, combined with the microfluidics, a refractive index sensor is proposed in this paper, in which the coupling region is fully encapsulated. This sensor requires a very little liquid sample (about 5 nL), is not fragile, and has better resistance to environmental perturbation, portability and repeatability than the general fiber-microcavity-coupled sensor. By the numerical simulation, the resonance properties of the microfluidic microtube resonator are investigated, and the refractive index sensing performance is analyzed. The research results show that the thickness of the mircotube-wall and the liquid refractive index have a great influence on the sensor performance. The shift of the resonance wavelength has a good linear relationship with the liquid refractive index. Meanwhile, the refractive index sensitivity is high (510.5–852.7 nm/RIU), and the Q-factor reaches up to 5.53×10 ⁴, the detection limit can arrive at 2.11 × 10 ^–6.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者:万静,wanj@njupt.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金 (批准号: 61574080) 资助的课题.

Authors and contacts

Corresponding author:Wan Jing,wanj@njupt.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61574080).

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参考文献

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施引文献

图 1 　(a) 结构; (b) 微管内WGM谐振光谱

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微管壁的厚度/μm	液体的折射率
	1.450—1.458		1.500—1.504
	Q值	灵敏度/ (nm·RIU^–1)	Q值	灵敏度/ ( nm·RIU^–1)
	Q值	灵敏度/ (nm·RIU^–1)	Q值	灵敏度/ ( nm·RIU^–1)
1.5	2.42 × 10³	238.3	1.10 × 10⁴	709.7
1	2.77 × 10³	510.7	1.15 × 10⁴	815.6
0.5	3.86 × 10³	805.2	5.00 × 10⁴	914.4

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液体折射率	谐振模式	谐振波长/nm	自由光谱范围/nm	半高线宽/nm	Q值
液体折射率	谐振模式	谐振波长/nm	自由光谱范围/nm	半高线宽/nm	Q值	1.450	$ {\mathrm{T}\mathrm{E}}_{293}^{1} $	1543.75	5.27 5.32	0.555	2.78 × 10³
$ {\mathrm{T}\mathrm{E}}_{292}^{1} $	1549.02	0.560	2.77 × 10³
$ {\mathrm{T}\mathrm{E}}_{291}^{1} $	1554.34	0.570	2.73 × 10³
1.500	$ {\mathrm{T}\mathrm{E}}_{302}^{1} $	1544.73	5.19 5.21	0.132	1.17 × 10⁴
	$ {\mathrm{T}\mathrm{E}}_{301}^{1} $	1549.92		0.135	1.15 × 10⁴
	$ {\mathrm{T}\mathrm{E}}_{300}^{1} $	1555.13		0.139	1.12 × 10⁴
1.700	$ {\mathrm{T}\mathrm{E}}_{341}^{6} $	1549.29	4.78 4.86	0.028	5.53 × 10⁴
	$ {\mathrm{T}\mathrm{E}}_{340}^{6} $	1554.07		0.029	5.36 × 10⁴
	$ {\mathrm{T}\mathrm{E}}_{339}^{6} $	1558.90		0.030	5.20 × 10⁴

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液体折射率	Q值	灵敏度/(nm·RIU^–1)	探测极限
1.450—1.458	(2.73—2.78) × 10³	510.5—515.3	(6.52—6.63) × 10^–5
1.500—1.504	(1.12—1.17) × 10⁴	813.1—818.3	(0.97—1.02) × 10^–5
1.696—1.700	(5.20—5.53) × 10⁴	848.2—852.7	(1.98—2.11) × 10^–6

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