原始研究的文章

前面。理论物理。,10January 2023
秒。光学和光子学
卷10 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fphy.2022.1097841

光子晶体光纤(PhCF)石化传感

Md。Bellal侯赛因 ¹, www.雷竞技rebatfrontiersin.org

Jan Křiž²,

Vigneswaran Dhasarathan ²和 www.雷竞技rebatfrontiersin.org

Md。Ekhlasur Rahaman³*

¹电气与信息工程学院,悉尼大学,悉尼,澳大利亚新南威尔士州
²大学物理系,理学院Hradec Kralove, Hradec Kralove,捷克共和国
³电子和通信工程学科,战争怎样惊人地扩大大学,战争怎样惊人地扩大,孟加拉国

square-core光子晶体光纤(PhCF)已经提出了液体(石化)传感应用。研究了传感器的性能数值频率范围从1.2到3.8太赫兹。核心洞充满了纯汽油、煤油、柴油。支柱大小不同的探索传感器的性能和执行分析太赫兹(太赫兹)的频率。光子晶体光纤传感器显示了97.0%左右的相对灵敏度和监禁10的顺序⁻¹⁴3.7太赫兹。这种光子晶体光纤传感器可以使用挤压捏造和3 d打印技术。

1介绍

随着汽车工业的发展,石油化工产品的使用(如汽油或柴油)已经增强。因此,机动车使用的燃料的质量决定了它将持续多久。低质量(不纯)燃料不仅会降低机器的性能,但它也将是极其危害我们的环境1- - - - - -3]。使用不洁净的燃料在汽车排放大量的二氧化碳(有限公司₂),污染我们的环境以及在很大程度上增加了地球温度(4,5]。作为国内燃料煤油,大大减少昂贵的比汽油或柴油。由于煤油顺利可以与柴油或汽油混合,混合一些不诚实的商人故意煤油和柴油或汽油来赚取额外的钱。当这种不洁净的燃料使用机动车用户,它导致大规模排放有限公司₂,造成空气、水和土壤污染6,7]。因此,科学界的需要开发一个有效的机制来感觉纯粹的石化产品。在早期几个检测石化的技术报告。其中,一些技术包括检查各种石化产品的属性(如粘度、密度、颜色和气味,等等)。还有一些其他的方法(例如,色谱技术、滴定法和超声波技术,等等)(2,8]。然而,技术是非常艰苦的,昂贵的,不够准确。

在过去的十年中,研究学者提出光子晶体光纤(PhCF)传感器为基础液/化学传感。PhCFs,与传统的光学纤维,提供更多可协调的光学特性。此外,由于液体/化学品可以选择性注入PhCF洞创建件轻松事交互,PhCFs相关执行液体/化学传感应用程序(9- - - - - -14]。Ademgil Haxha提出了一个基于PhCF液体传感器的相对灵敏度≃23.8%9]。Asaduzzaman和艾哈迈德报道一个微阵列的椭圆芯PhCF传感器的灵敏度≃29.5%10]。Asaduzzaman和他的研究小组提出了一个hybrid-PhCF化学传感和他们发现≃49.2%的敏感性11]。Arif和Biddut建议另一个新PhCF传感器的灵敏度≃53.5%12]。Chowdhury教授和他的团队提出了一个porous-core PhCF液体传感器传感应用,他们找到了一个相对灵敏度≃61.5%和微不足道的监禁损失(13]。把波特等人提出了一种酸传感器的灵敏度≃63.5%14]。保罗和他的研究小组报道一个酒精传感器,实现灵敏度≃67.6% (15]。在过去的几年里,研究人员发现,这种PhCF传感器可以执行更好的如果他们是在太赫兹(太赫兹)的频率16- - - - - -21]。Sultana和她的实验室组织了太赫兹传感器≃68.9%的敏感性和监禁≃7.8×10的损失⁻¹²厘米⁻¹(16]。戴尔和森建议分析物的octagonal-PhCF传感器传感、他们的敏感性≃77.1%17]。艾哈迈德和他的实验室成员报道血液成分传感器≃80.9%的敏感性和监禁≃1.23×10的损失⁻¹¹dB / m (18]。伊斯兰教等人提出的另一个太赫兹传感器灵敏度高(即。,≃85.7%)和微不足道的约束(即损失。≃1.7×10⁻⁹厘米⁻¹)[19]。哈比卜等人也报道空心PhCF传感器的灵敏度≃89%20.]。此外,Karki教授和他的团队报道一个先进的SPR生物传感器检测肿瘤细胞(22]。这个小组还提出了另一个生物传感器用于血红蛋白检测(23]。辛格等人提出了一个对石化传感光纤布喇格光栅传感器(24]。

考虑到石化传感的必要性,我们提出了一个square-core PhCF石化感应传感器。这项工作的主要目的是减少PhCF制造复杂性通过创建类似的形状(方形)芯和包层结构和获得更好的核心力量分数和增强纯燃料相对灵敏度样本检测。

2模型

我们考虑一个光纤直径3毫米。外层叫做完美匹配层(PML),通常≃纤维半径的10%。中心孔的目的是通过它把分析物,有20个空气孔大小相同的中心。空气孔(以白色)指导光通过中心孔(核心区域,由红色标记)。每条边的长度是400µm广场的洞。任何连续2孔之间的间距(叫做支柱大小)保持相同的整个传感器几何。然而,我们不同的支柱的大小和core-clad孔宽度探索PhCF传感器的性能。石化产品(如汽油、煤油和柴油)中选择这项工作作为传感分析物。我们选择Zeonex为背景材料(纤维),作为Zeonex展览优秀的光学性质(如光学透明度高,耐高温,抗酸强,湿度密集的和无关紧要的材料色散)。图1一个显示了PhCF传感器的剖视图。图1 b描绘了啮合现象,被认为是在模拟,这是计算区域的分割成矩形或三角形区域内有限数量的维度。网格密度的增加可以显著提高光传播到传感器,简化数值分析和传感器精度更高。在这个仿真,physics-controlled网和更好的元素大小是选择。完整的网拥有22246域元素和2246年边界元素,在自由度解出的数量是155907。

图1

图1。剖视图和啮合的PhCF传感器。(一)代表性的细节。(B)啮合的细节。

到目前为止,各种先进的技术已报告PhCF制造(例如,溶胶-凝胶法25),钻井(26],挤压[27),3 d打印(28),等等)。溶胶-凝胶法和钻探方法可能有能力制造PhCF结构制成的圆孔。相比之下,挤压和3 d打印技术可以制造PhCF模型与广场,矩形,椭圆孔。自提出石化传感器由正方形洞,挤压和3 d打印技术可用于制造这种PhCF传感器。

3的方法

电磁波传播特性通过光学媒体需要分析光通信和传感应用。到目前为止,已经提出各种数值工具在这个目的,这些工具都是基于几种计算方法(如光束传播法(BPM),有限的集成技术,全矢量有限元方法(FV-FEM),等等)。然而,与其他方法相比FV-FEM是最好的可接受的方法因其计算效率(29日]。因此,我们使用基于FV-FEM商用软件设计和模拟PhCF传感器。一旦建立了传感器结构,我们选择的材料(例如,分析物材料、纤维材料、包覆材料,等等),选择网格。这里,physics-controlled网和更好的元素大小是选择。完整的网拥有22246域元素和2246年边界元素,在自由度解出的数量是155907。一旦完成网格的研究,我们模拟模型在一定工作频率。我们也可以运行的系统模型的频率范围(例如,1.2到3.8太赫兹)。在这种情况下,参数扫描是用来模拟这个模型。

然而,在我们的工作中,我们分析不同传感特性(例如,相对灵敏度,堆芯功率分数(CPF),限制损失,有效物质损失(EML),有效面积,非线性,等等)的石化传感器数值。论坛(P)之间的比率是通过核心区域和力量注入光功率在整个区域的传感器,可以被定义为16,18,21]。

P = \frac{\int_{c o r e} R_{e} (E_{x} H_{y} - H_{x} E_{y}) d x d y}{\int_{一个 l l} R_{e} (E_{x} H_{y} - H_{x} E_{y}) d x d y} \times One hundred. % (1)

相对灵敏度(R)效率决定了传感器的石化产品。为一个特定的频率,R表达水平的光材料(注射石化)交互和R方法如下(16,18,21]。

R (%) = \frac{n_{f}}{n_{e f f}} \times P (2)

在哪里n_f代表折射率(RI)石化(例如,n_f= 1。418汽油,n_f= 1。44煤油,n_f= 1。柴油)[4630.),而n_eff表示有效的国际扶轮。

由于PhCF的编码器结构或材料杂质,有用的光功率可以从核心区域漏包层区域。这种光泄漏被称为约束损失(l_c),可以计算16,18,21]。

l_{c} (c 米^{- 1}) = 8.686 \times (\frac{2 π f}{c}) 我 米 (n_{e f f}) (3)

在哪里即时通讯(n_eff]表明有效国际扶轮的虚部。

EML (l_eml)是一种评价太赫兹光吸收衬底材料单位长度,可以获得(16]。

l_{e 米 l} = \sqrt{\frac{\in_{0}}{μ_{0}}} (\frac{\int_{米 一个 t} n_{米 一个 t} α_{米 一个 t} {|E|}^{2} d 一个}{|\int_{一个 l l} {年代}_{z} d 一个|}) (4)

在哪里 $\in_{0}$ 和 $μ_{0}$ 表示介电常数和磁导率在自由空间;n_垫和α_垫表示基材的RI和散装材料的吸收损失;和年代_z代表坡印亭矢量。

所包围的面积基本模式,称为有效面积(一个_eff)。一个_eff被定义为(18,19,21]。

E 一个 (µ 米^{2}) = \frac{{[\int 我 (y) y d y]}^{2}}{{[\int {我 (y)}^{2} d y]}^{2}} (5)

电力光纤中概述了非线性强度,这是的函数一个_eff。功率越高强度较低的有效面积;模式区非线性(越低越高γ)。在这里γ计算如下(31日]。

γ (W^{- 1} k 米^{- 1}) = \frac{2 π f}{c} \times \frac{n_{2}}{{一个}_{e f f}} (6)

在哪里n₂表示散装材料的非线性系数。

4的结果

在这项工作中,我们考虑三个燃料(例如,纯汽油、煤油和柴油)传感分析物。然后模拟完成一系列的操作频率(即。,1。2到3。8太赫兹)。首先,我们将通过PhCF传感器纯汽油,然后我们改变支柱大小探索各种传感特性(例如,有效折射率(ERI),堆芯功率分数(CPF),相对敏感性,有效物质损失(EML),限制损失,有效面积,非线性,等等)。

图2一个显示CPF变异与核心宽度变化当核心地区充满了纯汽油3太赫兹频率。发现论坛可能增加与增加核心大小400µm然后增加论坛没有意义。出于这个原因,我们解决核心宽度在400µm剩下的分析。然后我们多样的支柱尺寸调查CPF变异传感器(见图2 b。支柱大小论坛越高越低。我们也不同工作频率,观察到论坛值随着频率增加。

图2

图2。核心能力分数对核心宽度的关系和操作频率。(一)核心动力部分和核心宽度。(B)堆芯功率分数与工作频率。

接下来,我们探讨了论坛为其他石化概要文件。图3 a - c显示CPF变异与石化支柱尺寸时变化15μm 10μm 5μm,分别。论坛值更高的石化RI(如柴油),反之亦然。所有三个燃料,论坛值显著增加与增加的频率。

图3

图3。核心能力分数不同的石化产品。(一)15μm支柱距离。(B)10μm支柱距离。(C)5μm支柱距离。

图4一显示与支柱ERI变异大小变化时核心区域充满了纯汽油。支柱尺寸越小ERI越低。然而,蓖麻值随着频率增加。同样,我们探讨了蓖麻剖面变化为其他石化产品。图4罪犯显示与石化ERI变异变化当支柱尺寸15μm, 10μm 5μm,分别。ERI值更高的燃料RI(如柴油),反之亦然。此外,所有三个石化、蓖麻值随着频率增加。

图4

图4。有效的国际扶轮与工作频率。(一)。有效模式索引。(B)15μm支柱距离。(C)10μm支柱距离。(D)5μm支柱距离。

图5一个显示与支柱尺寸变化敏感性变化当核心区域充满了纯汽油。支柱尺寸越小灵敏度越高。此外,灵敏度值随着频率增加。然后其他石化的相对灵敏度也在探索。图5罪犯显示与燃料样品灵敏度变化变化。灵敏度值更高的燃料RI(如柴油),反之亦然。所有三个燃料样品的灵敏度值与增加频率显著增加。的灵敏度值汽油、煤油和柴油93。8%,94。75%,95。当支柱15μm 4%;96年。35%,96。75%,97。当支柱是10μm 0%;和97年。65%,97。85%,97。当支柱5μm 98%;分别在3。7太赫兹。

图5

图5。灵敏度和工作频率。(一)核心装满汽油在不同的支柱。(B)核心充满所有石化15μm的支柱。(C)核心充满所有石化10μm的支柱。(D)核心充满所有石化5μm的支柱。

现在,我们固定支柱大小10μ米,我们研究限制损失,EML有效面积,非线性传感器。图6显示约束损失资料,和限制损失值较低的燃料高RI(如柴油),反之亦然。为所有三个石化、工作频率越高越低限制损失。监禁损失值柴油,煤油和汽油。55×10⁻¹⁴厘米⁻¹,8×10⁻¹⁴厘米⁻¹和1.32×10⁻¹⁴厘米⁻¹分别在3。7太赫兹。图6 b显示了EML EML概要文件和较低的值较低的石化RI(如汽油),反之亦然。所有三个燃料,工作频率越高EML价值越高。的EML值汽油、煤油和柴油.0098厘米⁻¹,.0102厘米⁻¹,.0105厘米⁻¹分别在3.7太赫兹。

图6

图6。(一)监禁损失和工作频率,(B)EML与工作频率。

有效面积值更高的国际扶轮较低的燃料(如汽油)的操作频率2太赫兹然后以扭转方式(如所示图7)。石化,工作频率越高越低有效面积。的有效面积值汽油、煤油和柴油是9。03×10⁴μm²,9.05×10⁴μm²,9。06年×10⁴μm²分别在3.7太赫兹。

图7

图7。有效面积与工作频率。

非线性值更高的燃料RI(如柴油)操作频率2太赫兹然后以扭转方式(如所示图8)。此外,所有的燃料,工作频率越高非线性价值越高。

图8

图8。非线性与工作频率。

比较研究反映了当前研究工作的意义和我们比较这PhCF石化传感器的传感特性与之前报道的相关工作(如所示表1)。

表1

表1。与之前报道的工作。

5的结论

我们提出一个square-core光子晶体光纤(PhCF)石化传感。研究了传感器的性能数值和太赫兹研究已经完成(太赫兹)频率(即。,1。2到3。8太赫兹)。石化(如纯汽油、煤油、柴油)注入传感器和不同的传感特性进行了分析。这PhCF传感器显示了97年左右的相对灵敏度。0%,一个有效的物质损失。0105厘米⁻¹,监禁亏损1.32×10⁻¹⁴厘米⁻¹3.7太赫兹。因为这PhCF正方形孔制成的传感器,它可以使用挤压和3 d打印技术制作的。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

作者的贡献

MH:概念、方法、软件、形式分析,监督。先生和MH:写作——初稿准备、可视化、writing-reviewing和编辑。JK:资金收购和验证。VD:资金收购和验证。

资金

这项工作是支持的项目卓越,理学院,大学Hradec Kralove, 2214/2023 - 2024。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

引用

1。林问史密斯KR附近,贝茨锰。煤油:回顾家庭使用及其危害在低收入和中等收入国家。B J Toxicol环境卫生(2012)15 (6):396 - 432。doi: 10.1080 / 10937404.2012.710134

《公共医学图书馆摘要》|CrossRef全文|谷歌学术搜索

2。Shahru´aBahari M, Criddle WJ,托马斯JDR。掺假的测定汽油煤油使用快速相滴定过程。分析师(1990)115 (4):417 - 9。doi: 10.1039 / an9901500417