CN102590143A - 一种微结构光纤表面等离子体共振传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微结构光纤表面等离子体共振传感器，所述包层为三层同心的环形包层，内层环形包层由扇环形支撑臂（3）和内层空气孔（2）组成，外层环形包层由矩形支撑臂（6）和外层液体孔（5）组成，中层环形包层连接所述扇形支撑臂（3）和矩形支撑臂（6）；所述扇环形支撑臂（3）与矩形支撑臂（6）数量均为N，且传感器具有360/N^o旋转对称性。该扇环形支撑臂用于调节耦合深度；保证纤芯基模空间分布呈高斯型。传感器运转波长在C+L波段，在1.320到1.335分析液折射率范围内光谱灵敏度可达10000nm·RIU^-1以上，相应的传感分辨率达10^-5RIU量级，适合液体折射率的高精度实时检测。

Description

一种微结构光纤表面等离子体共振传感器

技术领域

本发明涉及表面等离子体共振传感器的设计技术领域，具体涉及利用环形孔微结构光纤的纤芯基模与表面等离子体模共振原理测量液体折射率，提高传感器测量精度。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)传感器在化学、生物、环境与医药等领域具有重要应用，近年来，为了实现长距离的实时检测和系统微型化，光纤SPR传感器得到了广泛重视和研究，目前，基于普通单模光纤的SPR传感器还面临两个主要困难，第一是纤芯基模与表面等离子体模的相位匹配问题，也就是在运转波长处要实现两种模式的有效折射率实部相等，一般只有在高频处，两种模式的有效折射率才满足相位匹配条件，但这种情况限制了表面等离子体模透入分析液的深度，降低了传感灵敏度；第二个问题是基于普通光纤的SPR传感器封装困难，设计过程复杂，增加了设计成本。微结构光纤的结构特点为SPR传感器设计提供了新思路，微结构光纤SPR传感器的优点有：可在孔内镀金属膜和填充分析液，便于SPR传感器封装；结构设计灵活，易于相位匹配。目前，有人提出了一种基于蜂窝状光子带隙结构的SPR传感器[ B. Gauvreau, et al, “Photonic bandgap fiber-based Surface Plasmon Resonance sensors,” Opt. Express 15, 11413–11426(2007)]，在纤芯内引入小空气孔降低来纤芯基模的有效折射率，实现了纤芯基模与表面等离子体模的共振耦合，当微流体流经镀膜的包层孔时，微流体折射率值的变化引起透射光损耗峰的变化，从而实现微流体折射率的实时检测，运转波长在1000nm附近，光谱灵敏度为1.375·10⁴nm·RIU^?1。但这种结构的纤芯基模是类高斯模式，场强分布中心存在凹陷，增加了与普通高斯光源的耦合难度；还有人提出了一种基于三孔光子晶体光纤的SPR传感器[M. Hautakorpi, et al., “Surface-plasmon-resonance sensor based on three-hole microstructured optical fiber,” Opt. Express 16, 8427–8432(2008).]，这种结构的有效纤芯直径小于1.1μm，在可见光区域支持高斯模式的单模运转，实现了模式相位匹配，并且液体填充孔的尺寸较大，便于液体填充，光谱灵敏度可达1.0·10³nm·RIU^?1，由于运转波长在可见光区域，光谱灵敏度不是太高；人们还提出了一种H型光纤SPR传感器，这种结构将一种具有高折射率的介质层镀在金属层上，实现了纤芯基模与表面等离子体模的相位匹配[M. Erdmanis, et al., “Comprehensive numerical analysis of a surface-plasmon-resonance sensor basedon an H-shaped optical fiber”, Opt. Express 19,13980–13988(2011)]，纤芯基模保持高斯模式，运转波长在C波段，光谱灵敏度可达5.0·10³ nm·RIU^?1，其结构是开放型结构，优化了实时传感响应时间，但存在封装难度。

发明内容

本发明的目的是提出一种实现纤芯基模低损耗传输、灵敏度高，易于与普通高斯光源耦合的微结构光纤SPR传感器。

本发明的技术方案是：一种微结构光纤表面等离子体共振传感器，包括纤芯和包层，所述包层为三层同心的环形包层，内层环形包层由扇环形支撑臂和介于所述扇环形支撑臂间的内层空气孔组成，外层环形包层由矩形支撑臂和介于所述矩形支撑臂间的外层液体孔组成，中层环形包层连接所述扇形支撑臂和矩形支撑臂；所述扇环形支撑臂与矩形支撑臂数量均为N，且传感器具有360/N^o旋转对称性；所述内层空气孔填充空气，所述外层液体孔填充分析液，所述纤芯材料和包层材料相同。

进一步，所述外层液体孔靠近纤芯的内壁上镀一层金属薄膜。

进一步，所述扇环形支撑臂对应的圆心角角度                                                

小于22^ｏ。

进一步，所述内层环形包层的外半径R₁小于3.2μm。

进一步，所述扇环形支撑臂和矩形支撑臂的数量N为3、4、5或8个。

本发明的有益效果是：微结构光纤横截面具有360/N^o旋转对称性，可以采用成熟的光纤预制棒制作工艺，对光纤结构进行精确的控制和制作。结构上引入扇环形支撑臂作用是调节耦合深度；保证纤芯基模空间分布呈高斯型。此光纤可实现纤芯基模低损耗传输，通过控制纤芯大小可将共振波长调节在C+L波段，增加了表面等离子模透入分析液的深度，提高了传感器测量精度。在1.320到1.335分析液折射率范围内，光谱灵敏度高于1.05·10⁴nm·RIU^?1，在此特定的光波段和分析液折射率范围内，传感器灵敏度有非常明显的提高。纤芯模场始终保持高斯强度分布，易于与普通高斯光源耦合。另外，分析液填充孔径向宽度可达4.6μm，利于分析液的填充，在保持高传感灵敏度的同时提高了传感器制作集成度。整个光纤除了金属膜外，仅有一种材料制作而成，因而更易制作，光纤性能也更稳定。

附图说明

图1为传感器结构示意图；

图2为传感器表面等离子共振传感原理图；

图3为传感器的基模电场场强分布图；

图4为传感器的基模电场场强的径向空间分布图；

图5为传感器的光谱灵敏度随液体折射率的变化曲线图；

图6为传感器的不同分析液折射率时基模损耗随波长的变化曲线图；

图7为传感器（不含金属薄膜）的纤芯基模能流场场强在

等于20^o时的径向空间分布图；

图8为传感器（不含金属薄膜）的纤芯基模能流场场强在

等于22^o时的径向空间分布图；

图9为传感器（不含金属薄膜）的纤芯基模能流场场强在

等于24^o时的径向空间分布图。

具体实施方式

图1给出了一种基于环形孔微结构光纤的SPR传感器的横截面示意图，共振传感器包括纤芯1和包层，包层为三层同心的环形包层，内层环形包层由扇环形支撑臂3和介于扇环形支撑臂3间的内层空气孔2组成，外层环形包层由矩形支撑臂6和介于矩形支撑臂6间的外层液体孔5组成，中层环形包层连接扇环形支撑臂3和矩形支撑臂6；扇环形支撑臂3与矩形支撑臂6 数量均为N，且传感器具有360/N^o旋转对称性；纤芯材料和包层材料相同。

在内层空气孔2内填充空气，折射率为n_air = 1.0，扇环形支撑臂3对应的圆心角角度为

，在外层液体孔内5填充分析液，折射率为n_analyte，并且在外层液体孔内5靠近纤芯1的内壁上镀一层均匀的金薄膜7，厚度为d_gold ，金薄膜7的介电常数由Drude关系式确定，

，其中，

；

；

，背景折射率选为1.45。由于纤芯1基模有效折射率接近于纤芯材料，而表面等离子体模有效折射率由邻近分析液和金属膜7材料决定，一般在C+L波段接近于分析液折射率，例如：接近水的折射率1.330。纤芯材料为基底材料(如纯石英折射率在1.45左右），因此必须通过设计合适的结构来降低纤芯基模的有效折射率。为此，这里内层环形包层为内层空气孔2的空气折射率低，因此此结构设计可有效降低纤芯基模有效折射率，但为了支撑光纤结构，必须在内层环形包层中加入扇环形支撑臂3，由于扇环形支撑臂3沿径向是逐渐增宽的，控制支撑臂对应的圆心角的大小可有效的束缚光在纤芯中传输和保证纤芯基模空间分布呈高斯型，另外纤芯基模与表面等离子体模也需要通过此扇环形支撑臂3实现耦合。与采用等宽度的支撑臂相比，这种扇形环支撑臂在靠近纤芯处宽度较窄，因而更容易束缚住纤芯中的模式，保持纤芯基模的模场形状。而靠近金属模处的支撑臂的宽度较宽，从而使纤芯基模与金属表面等离子模更容易耦合。控制支撑臂对应的圆心角

的大小还可调节耦合深度。在此新结构中，我们选择较小的纤芯1，纤芯半径小于1μm，纤芯越小就有越多的纤芯基模能量分布在内层空气孔2中，纤芯1基模有效折射率可有效降低，从而实现与表面等离子体模的相位匹配，通过调节纤芯1大小，可实现共振波长跨越整个C+L波段。由于纤芯1很小，在内层环形包层中的扇环形支撑臂3对应的圆心角需小于22^o，若角度过大，内层环形包层将不能有效的束缚光在纤芯中以低损耗传输，并且角度过大，纤芯基模能量将过多的分布在扇环形支撑臂3上，造成纤芯基模强度分布不能保持高斯型。由于纤芯基模与表面等离子体模通过此扇环形支撑臂3实现耦合，在扇环形支撑臂3对应的圆心角小于22^o的情况下，控制角度的大小可以调节纤芯基模和表面等离子体模的耦合深度，从而可优化传感器性能。另外，内层环形包层外半径增大，纤芯基模模场与表面等离子体模场重叠区域减少，表面等离子共振偶合深度也会随之降低，不利于提高传感器的传感灵敏度，这里要求内层环形包层外直径需小于3.2μm。

由于纤芯基模将通过每个扇形环支撑臂与金属表面等离子体模发生选择性的耦合，为增强在折射率匹配波长点处两种模式耦合的强度，提高传感器的灵敏度，要求光纤整个结构具有旋转对称性，即扇环形支撑臂3和矩形支撑臂6的数量相同，均为N，光纤结构具有360/N^o旋转对称性。

扇环形支撑臂3和矩形支撑臂6的数量N可以为3、4、6或8个，使光纤结构分别具有120 ^o、90^o、60^o、45^o旋转对称性。

折射率传感原理如图2所示，图中实线和虚线分别代表纤芯基模和表面等离子体模的有效折射率实部，在两线的交点处，两种模式的有效折射率实部相等，从而发生表面等离子体共振吸收，相应的波长即共振波长，纤芯基模能量在共振波长处有高的损耗峰值，如图2中点划线所示。当外层环形包层中的分析液折射率发生变化时，表面等离子体模的有效折射率发生变化，共振波长随之发生移动，因此通过测量透射损耗峰的位置变化可实现对分析液折射率的实时检测。

这种光纤的典型纤芯基模电场场强分布如图3所示，其径向电场空间分布如图4所示，整个空间分布非常接近高斯分布，易于与普通高斯光源耦合，图4右上方嵌入图为纤芯基模激发的典型表面等离子体模。

光谱灵敏度定义为：S_λ=∣dλ_peak/dn_analyte∣，式中λ_peak为共振峰波长,图5表明, 当分析液折射率n_analyte变化时, 传感灵敏度呈非线性的增长，共振波长如图6所示覆盖C+L波段，由于共振波长在较长波段，表面等离子体模透入分析液的深度增加，光谱灵敏度得到了提高。光谱灵敏度可达1.05·10⁴nm·RIU^?1以上，假定用分辨率为0.1nm的光谱仪测量，相应的折射率传感分辨率达0.95·10^?5RIU。光谱灵敏度优于之前其它同类型的表面等离子体光纤传感器。

下面给出内层空气孔包层中的扇环形支撑臂3对应的圆心角角度

和内层环形包层外半径R₁分别对传感器特性的影响。

我们给出不同

时的微结构光纤纤芯基模能流场场强分布，当

为20^o 、22^o 和24^o时，纤芯基模能流场场强分布分别由图7、图8和图9所示。

为20^o时，纤芯基模能流场场强分布为高斯型；

为22^o时，扇环形支撑臂3上有旁瓣突起，纤芯基模能量部分分布在扇环形支撑臂3上，但整体纤芯基模能流场场强分布接近高斯型；为24^o时，扇环形支撑臂3上有大的旁瓣突起，扇环形支撑臂3上已占有过多的纤芯基模能量，整体纤芯基模能流场场强分布不再为高斯型。因此，为了方便与普通高斯光源耦合，内层环形包层中的扇环形支撑臂3对应的圆心角角度

应小于22^o。

当内层环形包层外半径R₁为3.0μm、3.2μm和3.4μm时，计算结果显示共振波长处损耗峰值分别为15.4759dB/cm、7.4124dB/cm 和4.0071dB/cm，可以看出随着R₁的增大，纤芯基模损耗峰值逐渐减少，这说明纤芯基模与表面等离子体模的模场重叠区域减少，表面等离子体共振耦合深度降低，不利于传感灵敏度的提高，为了保证传感器具有高的传感灵敏度，要求内层环形包层外半径R₁小于3.2μm。

下面给出实例来说明此基于环形孔微结构光纤的SPR传感器的特点。

实施例一：

光纤的结构如图1所示，纤芯1半径R为0.86μm，内层环形包层外半径R₁为3.0μm，中层环形包层外半径R₂为3.4μm，外层环形包层外半径R₃为8.0μm，内层环形包层中的扇环形支撑臂3对应的圆心角角度

为20^o，扇环形支撑臂3和矩形支撑臂6的数量均分别选为3，基底材料折射率选为1.45，金薄膜厚度d_gold为40nm。当分析液折射率为1.330时，共振波长在1543.8 nm处。在此分析液折射率测量范围内，光谱灵敏度都高于1.05·10⁴nm·RIU^?1，假定用分辨率为0.1nm的光谱仪测量，相应的折射率传感分辨率达0.95·10^?5RIU。

上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这个实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

Claims (5)

1.一种微结构光纤表面等离子体共振传感器，包括纤芯（1）和包层，其特征在于，所述包层为三层同心的环形包层，内层环形包层由扇环形支撑臂（3）和介于所述扇环形支撑臂（3）间的内层空气孔（2）组成，外层环形包层由矩形支撑臂（6）和介于所述矩形支撑臂（6）间的外层液体孔（5）组成，中层环形包层连接所述扇形支撑臂（3）和矩形支撑臂（6）；所述扇环形支撑臂（3）与矩形支撑臂（6）数量均为N，且传感器具有360/N^o旋转对称性；所述内层环空气孔（2）填充空气，所述外层液体孔（5）填充分析液，所述纤芯材料和包层材料相同。

2.根据权利要求书1所述的一种微结构光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述外层液体孔（5）靠近纤芯的内壁上镀一层金属薄膜（7）。

3.根据权利要求书1所述的一种微结构光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述扇环形支撑臂（3）对应的圆心角角度                                                

小于22^ｏ。

4.根据权利要求书1所述的一种微结构光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述内层环形包层的外半径R₁小于3.2μm。

5.根据权利要求书1所述的一种微结构光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述扇环形支撑臂（3）和矩形支撑臂（6）的数量N为3、4、5或8个。

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