CN102608068A - 一种新型结构的光子晶体光纤spr传感模型 - Google Patents

一种新型结构的光子晶体光纤spr传感模型 Download PDF

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Abstract

一种新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型，采用纤芯包层结构，材料为聚乙烯，纤芯为实芯，包层中设有三层呈正六边形排列的椭圆形空气孔，其中第二层空气孔内表面镀有金膜。利用金膜表面产生的等离子体共振对周围的介质环境十分敏感的特性，可以将金属表面临近物质的折射率的微小变化转换成可测量的吸收峰的位移，能够设计实现高灵敏度的光子晶体光纤SPR传感器。本发明的优点是：提出一种新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型，其灵敏度较现有的一般传感器有所提高；仅在一层空气孔内表面镀膜，仿真时大大降低了软件的计算量，节省了仿真时间。

Description

一种新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型
(一)技术领域
本发明涉及光纤SPR传感技术，特别是一种新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型。
(二)技术背景
存在于金属或半导体表面的自由电子的行为类似于自由电子气，当这些表面自由电子与特定的电磁波相互作用时，将吸收电磁波的能量，从而产生表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)。SPR(表面等离子体共振)传感器正是基于上述的表面等离子体共振基本原理实现高灵敏度的探测。光纤SPR传感器是将高灵敏度的表面等离子体传感技术与低能量消耗的光纤传输技术有机结合的产物。然而，采用普通光纤作为敏感元件的光纤SPR传感器存在耦合损耗大、保偏性差和存在交叉敏感等若干难以克服的缺点，因此限制了传感器性能的进一步提高。
随着光子晶体光纤这个概念的提出，光纤SPR传感领域有了突飞猛进的发展。光子晶体光纤也称为微结构光纤或者多孔光纤，按照其导波机制可分为全内反射型光子晶体光纤和光子禁带型光子晶体光纤。由于光子晶体光纤的空气孔的排列和大小有很大的控制余地，因此它与传统光纤相比有许多“奇异”特性，如无休止的单模传输特性、极低损耗、可控的色散、非线性特性、高双折射特性，因此受到极大重视，并且随着光子晶体光纤拉制工艺的不断成熟，光子晶体光纤已广泛应用于光纤SPR传感领域。
现有的光子晶体光纤SPR传感器在光谱仪的分辨率能够达到0.01nm时，传感器的分辨率一般可以达到10-4数量级，可见，传感器的灵敏度不是很高。因此，为了提高传感器的灵敏度，寻求一种新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型具有很重要的意义。
(三)发明内容
本发明针对上述存在的问题，提供一种新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型，利用该模型所制成的光子晶体光纤SPR传感器可大大提高灵敏度和分辨率。
本发明的技术方案：
一种新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型，采用纤芯包层结构，材料为聚乙烯，纤芯为实芯，包层中设有三层呈正六边形排列的椭圆形空气孔，其中第二层空气孔内表面镀有金膜。
所述聚乙烯材料其折射率为1.5。
所述椭圆形空气孔的长轴da为1.0μm，短轴db为0.8μm，相邻空气孔中心距Λ为2.0μm。
所述金膜的厚度为50nm。
本发明的工作机理：
在所设计的光子晶体光纤SPR传感模型的所有空气孔中装入待测样品，由于金膜表面产生的等离子体共振对周围的介质环境十分敏感，当待测样品的折射率发生变化时，损耗吸收峰的位置也会发生变化，因此可以将金膜表面临近物质的折射率的微小变化转换成可测量的吸收峰的位移，从而达到传感的目的。
本发明的优点是：该光子晶体光纤SPR传感模型结构新颖，仅在一层空气孔内表面镀膜，仿真时大大降低了软件的计算量，节省了仿真时间；利用该模型所制成的光子晶体光纤SPR传感器可提高灵敏度，其灵敏度为500nm/RIU，使用分辨率0.01nm的高精度光谱仪，可以测得传感器的分辨率为2×10-5RIU。
(四)附图说明
图1为该光子晶体光纤SPR传感模型剖视结构示意图。
图中：1.包层  2.椭圆形空气孔  3.金膜
图2为该模型在折射率n＝1.33的待测样品填充空气孔时光纤的损耗谱。
图3为不同折射率待测样品填充空气孔时光纤的损耗谱。
(五)具体实施方式
以下将通过实施例详细描述本发明所提供的一种新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型。但本领域的技术人员都知道，在权利要求的范围内，可以做出形式上和细节上的多种变型。因此本发明绝不仅限于以下所述的实施例。
实施例：
一种新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型，如图1所示，采用纤芯包层结构，材料是折射率为1.5的聚乙烯，纤芯为实芯，包层1中设有三层呈正六边形排列的椭圆形空气孔2，该椭圆形空气孔长轴da＝1.0μm，短轴db＝0.8μm，相邻空气孔中心距Λ＝2.0μm。在包层中第二层空气孔内表面镀有金膜3，金膜的厚度为50nm。在该模型的所有空气孔中装入待测样品，本实施例中待测样品为水，其折射率n＝1.33。
采用波长调制法，波长的变化范围为500nm-1500nm，利用基于全矢量有限元法(FEM)的COMSOL Multiphysics计算软件对上述所设计的实验模型进行数值仿真，在各向异性完美匹配层(PML)边界条件的配合下，求解模场的有效折射率，然后根据模场损耗公式计算出模场损耗，利用Origin软件绘出光纤的损耗谱，如图2所示，可以看出光纤损耗谱具有三处损耗吸收峰，损耗吸收峰所在的位置，就表示该波长下发生了表面等离子体共振现象。在这三处损耗吸收峰中，位于700nm-1000nm波段的吸收峰最为强烈，而在第一处以及第三处的吸收峰不是很明显。因此我们选择700nm-1000nm这个波段范围内的波长进行以下的仿真，计算出该模型的灵敏度以及分辨率。
仍然采用波长调制法，波长的变化范围为700nm-1000nm，利用基于全矢量有限元法(FEM)的COMSOL Multiphysics计算软件对上述所设计的实验模型分别按照待测样品折射率n＝1.33、n＝1.34进行数值仿真，在各向异性完美匹配层(PML)边界条件的配合下，求解模场的有效折射率，然后根据模场损耗公式计算出模场损耗，利用Origin软件绘出n＝1.33、n＝1.34时光纤的损耗谱，如图3所示，可以看出随着待测样品折射率的增加，吸收峰向长波长方向移动。通过测量当折射率改变Δna时吸收峰的偏移量Δλp，可以计算出传感器的灵敏度Sλ，Sλ(RIU-1)＝Δλp/Δna。在本实施例中，当待测样品折射率由n＝1.33变为n＝1.34时(Δna＝0.01)，吸收峰的位置由λp＝860nm变为λp＝865nm(Δλp＝5nm)，因此该传感器的灵敏度Sλ＝500nm/RIU。使用分辨率0.01nm的高精度光谱仪，测得传感器的分辨率为2×10-5RIU。可以看出用该模型制成的光子晶体光纤SPR传感器较现有的一般传感器分辨率提高了一个数量级。

Claims (4)

1.一种新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型，其特征在于：采用纤芯包层结构，材料为聚乙烯，纤芯为实芯，包层中设有三层呈正六边形排列的椭圆形空气孔，其中第二层空气孔内表面镀有金膜。
2.根据权利要求1所述新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型，其特征在于：所述聚乙烯材料其折射率为1.5。
3.根据权利要求1所述新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型，其特征在于：所述椭圆形空气孔的长轴da为1.0μm，短轴db为0.8μm，相邻空气孔中心距Λ为2.0μm。
4.根据权利要求1所述新型结构的光子晶体光纤SPR传感模型，其特征在于：所述金膜的厚度为50nm。
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