بخشی از مقاله
چکیده. سنسورهای ضریب شکستی یکی از سنسورهای پرکاربرد در صنعت بیوالکترونیک و الکترونیک نوری هستند. استفاده از مواد و ساختارهایی که بتواند ضریب شکست مواد ناشناس را تشخیص دهد دارای کاربردهای مهمی در بیو شیمی و مهندسی پزشکی می باشد. در این مقاله یک نوع فیبر بلور فوتونی دو هستهای برپایه پلیمر برای سنجش ضریب شکست سیال معرفی شده است. اندازه سوراخهای هستههای آنالیت و هسته جامد عبور دهنده نور بهگونهای مهندسی شدهاند که توانایی عبور تک مد اصلی را داشته باشند.
بدلیل ارزان بودن، توانایی مکانیکی بالا و راحتی ساخت، بستر فیبر بلور فوتونی از پلیمر PMMA استفاده شده است. پس از شبیهسازی ساختار و استفاده از روابط ریاضی موجود و بررسی مدهای انتشاری، برای انتقال کامل نور از هسته جامد به هسته کانال آنالیت، طول فیبر 0.13 سانتی متر بدست آمده است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که برای ضریب شکست 1.44 مقدار حساسیت 1000 و حد تشخیص توسط این سنسور قابل حصول است. تمام مراحل شبیه سازی در حوزه FDTDدر نرم افزار Lumerical بدست آمده است.
-1 مقدمه
در این مقاله، سنسورهای نوری با ضریب شکست پایین فیبرهای بلور فوتونی جدید که بر اساس کوپلینگ رزونانس انتخابی بین یک هسته جامد متداول و یک هسته میکرو ساختاری است، بررسی می شود. هسته میکرو ساختار معرفی شده توسط پر کردن سوراخ های هوایی موجود در هسته با آنالیت با ضریب شکست پایین تحقق یافته است. در سالهای اخیر، سنسور ضریب شکست فیبر نوری توجه قابل ملاحظه به ویژه در زمینه فیبر نوری بیوسنسور بدون برچسب که در آن مولکولهای زیستی بدون برچسب و یا اصلاح نشده است به دست آورده است. [1]
در این مقاله، یک سنسور ضریب شکست پایین بر اساس PCF جدید نشان داده شده است که در طول موج گزینشی رزونانس اتصال در یک هندسه جهت دار دو هسته ای با یک هسته با ساختار میکرو آنالیت پر می تواند آنالیت را با ضریب شکست به اندازه 1.33 پایین بیاورد، شبیه سازی عددی نشان می دهد که حد آشکارسازی واحد ضریب شکست - RIU - و حساسیت 8500 nm/RIU را می توان به دست آورد.
-2 بررسی ساختار پیشنهادی و اصول کارکرد
فیبرهای کریستال فوتونی ساخته شده اغلب بر پایه سیلیکا هستند، و بنابراین از لحاظ انعطاف پذیری دارای مشکلات عدیدهای میباشند. برای کنتراست ضریب شکست بالا در کانال، از فیبر پلیمری استفاده شده است، که در مقایسه با فیبر بر پایه سیلیکون قرار می گیرد و همچنین کنتراست با ضریب شکست بالا یک مبارزه طلبی برای رسیدن به تکنیک ساخت شیشه با دوپینگ است که براحتی می تواند با تکنیک پلیمر بدست آید[.1]فیبرهای بر پایه پلیمر همچنین چندین مزیت اضافی را نیز فراهم خواهد کرد: اولاً، پلیمر می تواند بسادگی از مولفه های آلی ساخته شود، که سنسورهایی برای استفاده برای کاربردهای bio-sensingرا فراهم می کند.
دوماً، فیبرهای پلیمری بصورت مکانیکی مقاوم بوده و در نتیجه در استفاده به سادگی نمی شکند و تولید کننده مواد مضر برای طبیعت نخواهد بود.برای همین منظور از پلیمر بعنوان بستر فیبر کریستال فوتونی در این مقاله استفاده می شود. پلیمر استفاده شده بعنوان بستر فیبر کریستال فوتونی خود از جنس - PMMA - *، است که دارای مشخصات استخراج شده از مرجع [2] است.[2] در شکل 1، نمایی از سطح مقطع فیبر پیشنهادی آورده شده است. در این شکل بستر PMMA با رنگ بنفش مشخص است.
هسته جامد در سمت چپ ساختار با حذف سوراخ هوایی مرکزی در ساختار فیبر کریستال فوتونی در آرایش شش گوشه، و هسته آنالیت که با مایع پر خواهند شد در سمت راست شکل مذکور مشخص میباشند. در ادامه مشاهده می شود که مدهای موثر برای هر دو هسته توسط این دو ساختار که قابلیت رزونانس با همدیگر دارند، میتواند بدست آید. 00 0 1 در شکل : 1 نمایی از شکل پیشنهادی برای فیبر کریستال فوتونی دو هستهای لازم به ذکر است که، طولی از فیبر که در آن عمل انتقال نور از هسته جامد به هسته آنالیت انجام میشود طول کوپلینگ تعریف میشود - - . در طول موج تشدید، توان بصورت متناوب در طول کوپلر بین مد ماهوارهای و هسته منتقل خواهد شد، انتقال توان کامل در مضارب فردی از طول کوپلینگ رخ خواهد داد. برای بدست آوردن طول کوپلینگ برای ساختار مطرح شده در این مقاله از رابطه ریاضی - 1 - ، استفاده میشود. [3]
در رابطه - 1 - ، توان نور ورودی به ساختار، توان نور خروجی از ساختار، طول موج فضای آزاد و اختلاف ضریب شکست موثر دو هسته خواهد بود. میزان ضریب شکست موثر برای هسته جامد و هسته آنالیت در طول موج 1550 نانومتر به ترتیب برابر با 1.461487 و 1.459712 میباشند. همچنین برای داشتن کوپلینگ کامل بین دو هسته فوق الذکر بایستی نسبت برابر 1 گردد. بنابراین خواهیم داشت: پس با در نظر گرفتن طول کل فیبر به صورت مضرب فرد - در اینجا سه برابری - از طول کوپلینگ می توان میزان مدهای محدود شده اصلی در هر دو هسته را محاسبه و ترسیم نمود. بنابراین طول کل فیبر 0.13 سانتی متر در شبیه سازی در نظر گرفته می شود.
-3 محاسبه حساسیت و حد تشخیص ساختار تحت بررسی برای تغییرات ضریب شکست آنالیت از 1.31 الی 1.36 بررسی میزان حساسیت و حد تشخیص سنسور طراحی شده برای دو بازه تغییراتی ضریب شکست آنالیت از 1.31 الی 1.36 و از 1.44 الی 1.48 در نظر گرفته می شود، تا تشخیص داده شود سنسور تحت بررسی برای چه موادی و با چه ضرایب شکستی مناسب تر است. کارایی سنسور می تواند بر حسب حساسیت S - شیفت در طول موج رزونانس بر تغییر در ضریب شکست - یا حد تشخیص - کمترین تغییر قابل تشخیص در ضریب شکست - تعریف شود.
حد تشخیص در نهایت تنها مقدار نگرانی در عمل است، در حالیکه بطور معکوس با حساسیت متناسب است و همچنین به عرض طیف dip تشخیص داده شده و نسبت سیگنال به نویز بستگی خواهد داشت. [4] عرض dip و حساسیت کمیت هایی بطور کامل مستقل از هم نمی باشند و بهبود یکی به بدتر شدن دیگری منجر خواهد شد. حساسیت با استفاده از رابطه ریاضی - 2 - ، به دست می آید. [5]
در حالت کلی ضریب سنسور ضریب شکستی طراحی شده دارای طول موج تشدید خواهد بود - - ، که این طول موج به تغییر ضریب شکست آنالیت وارد شده در هسته آنالیتی ساختار، بستگی دارد. بنابراین میزان تغییرات پیک رزونانس تشدید تقسیم بر تغییرات ضریب شکست آنالیت حساسیت سنسور نامیده می شود. برای به دست آوردن تغییرات طول موج تشدید بر حسب تغییر در میزان ضریب شکست آنالیت، منحنی توان عبور نور از خروجی قسمت هسته آنالیت بر حسب طول موج به ازای تغییرات ضریب شکست آنالیت از 1.31 الی 1.36 تحت بررسی قرار می گیرد. به عبارتی ضریب شکست وارد شده به هسته آنالیت از مقدار 1.31 الی 1.36 با گامهای 0.005 تغییر داده شده و طیف انتقالی عبوری از هسته آنالیتی مورد بررسی قرار می گیرد.
در شکل 2، طیف انتقال عبوری از خروجی فیبر از قسمت هسته آنالیت به ازای تغییرات ضریب شکست ماده آنالیت موجود در این هسته، بر حسب طول موج ترسیم شده است. مشاهده میگردد که پیک رزونانس با افزایش ضریب شکست، پیک طیف انتقالی - طول موج رزونانس - بسمت طول موج های بالاتر شیفت پیدا میکند. حال میتوان با محاسبه میزان این تغییرات بر حسب مقدار تغییر در ضریب شکست، حساسیت سنسور طراحی شده را مورد مطالعه قرار داد.
