CN103245638A - 光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感领域，为提供以一种基于填充复合金属纳米材料的光子晶体光纤作为传感部件的体积小，灵敏度高的传感器，并且实现同一传感器多重复用、共振波长可自我调谐的功能，本发明采用的技术方案是，一种光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器，其特征是，在光子晶体光纤中填充一种复合金属纳米材料，该复合金属纳米材料由50纳米厚的银层\200纳米厚的熔融石英层\半径50纳米的银柱这样一个复合结构构成，当宽谱光源或单色光源的光入射到光子晶体光纤中，因金属内部自由电子的协同振荡而产生局域表面等离子体共振，通过探测输出光谱的变化或者光强变化达到检测待测液体的动态变化信息目的。本发明主要应用于光纤传感器制作。

Description

光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感，特别涉及局域表面等离子体共振传感，具体讲涉及填充复合纳米材料的光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器。

技术背景

光子晶体光纤(Photonic crystal fiber，PCF)是在二维光子晶体基础上发展起来的一种新型光纤。自1996年Knight等研制出了第一根光子晶体光纤后，PCF受到了极大关注，它通过包层中沿轴向排列的微小空气孔对光进行约束，从而实现光的轴向传输。其具有普通光纤不具备的优点，可以通过改变空气孔的大小和排列来改变PCF的性质，其独特的波导结构与导光特性，使得光子晶体光纤相比于常规光纤具有许多无可比拟的传输特性，因而成为近年来光学与电子学领域的研究热点，在光纤传感、大功率光纤激光器、光开关、超宽色散补偿及非线性光学等领域得到了广泛的应用。

基于光纤传感器与传统的传感器相比，具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、多参量测量(温度、应力、振动、位移、转动、电磁场、化学量和生物量等)、灵敏度高、质量轻、体积小、可嵌入(物体)等特点，因此光纤传感技术一直处于传感器技术发展的前沿。而基于等离子共振的生化传感方法是目前非常先进的无标记，实时检测技术，在化学、生物、环境与医药等领域具有非常重要的应用。

随着纳米材料技术的迅速发展，贵金属纳米粒子引起了人们极大的兴趣，由于其良好的导电性、小尺寸效应、量子隧道效应及高的表面化学活性，使其在化学传感器和生物传感器领域具有基础研究和实际应用价值。金、银、铂等贵金属纳米粒子均具有很强的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，即当入射到金、银、铂金属纳米粒子的光子频率与金属自由电子的集体振荡频率发生共振时产生的一种物理光学现象。因金属内部自由电子的协同振荡而产生局域表面等离子体共振，该金属纳米结构表面的局域电磁场被极大增强，展现出强烈的表面等离子体共振吸收。因此，基于贵金属纳米粒子的局域表面等离子体共振效应构建的光学生物传感器已成为一个热点。

LSPR是当入射由于LSPR中的倏逝波是由纳米颗粒的光散射产生的，因此，LSPR的实现不需要传统SPR技术那样复杂的光学系统，可以通过极其简单、坚固、体积小、重量轻、成本低的设备来实现生物传感。同时，LSPR纳米传感器保留了SPR传感器的特点：高灵敏度、高选择性、实时检测和无标记操作等。

局域表面等离子体共振吸收与贵金属纳米粒子的组成、尺寸、形状、粒子间距和周围介质折射率等因素有关，因而可以利用外围介质的组成、形状、大小、局域传导率的变化可以获得局域表面等离子体共振光谱，对其光谱进行分析，可以研究纳米粒子的微观组成。而且，通过改变一些相关因素的参量，可以有效提高传感器的灵敏度、选择性、空间分辨率、可集成性，因此可作为化学传感器和生物传感器，成为探测传感领域研究和应用的一个重要方向。

将复合金属纳米材料随着待测液体填充到光子晶体光纤中，由于复合纳米材料的特殊结构组成，使得在一段比较宽的波长范围内产生多个共振峰，并且共振峰的位置可以随着待测液体折射率的改变以及复合机构尺寸的改变而发生移动。这样有利于不同的应用领域选择不同区域的共振波长，方便检测与应用，是一种新型的传感系统，有巨大实用价值和创新意义。目前尚无成熟技术相关报道。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供以一种基于填充复合金属纳米材料的光子晶体光纤作为传感部件的体积小，灵敏度高的传感器。并且实现同一传感器多重复用、共振波长可自我调谐的功能。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是，一种光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器，其特征是，在光子晶体光纤中填充一种复合金属纳米材料，该复合金属纳米材料由50纳米厚的银层\200纳米厚的熔融石英层\半径50纳米的银柱这样一个复合结构构成，这种复合金属纳米材料随着待测液体填充到光子晶体光纤的空气孔中，当宽谱光源或单色光源的光入射到光子晶体光纤中，因金属内部自由电子的协同振荡而产生局域表面等离子体共振，该复合金属纳米材料结构表面的局域电磁场被极大增强，展现出强烈的局域表面等离子体共振吸收，当待测液体的折射率发生改变时，通过探测输出光谱的变化或者光强变化达到检测待测液体的动态变化信息目的。

复合结构整体为一个圆柱体，中心为50纳米银柱，依次再镀上200纳米厚度的熔融石英层和50纳米的银层。

采用高功率超连续谱光纤激光器作为宽谱光源，其出射的光耦合至单模光纤中，再经过耦合器按光功率均分为两路，两路的光子晶体光纤中均填充掺有复合金属纳米材料的水溶液，但是水溶液的折射率不同，其中一路光子晶体光纤中的溶液的折射率为1.33，作为参考信号光路，另一路中的待测液体的折射率可变，作为探测光信号光路，最后利用宽谱光谱仪接收两条光路的光信号，在光谱仪的显示屏上即会显示两条具有不同共振峰位置的光谱，最后利用计算机进行数据处理。

所述的光子晶体光纤的背景材料是熔融石英或聚合物材料。

所述的复合金属纳米材料为：50纳米厚的银层\200纳米厚的中间介质层\半径50纳米的银柱，中间介质层的材料与光子晶体光纤的背景材料一致，金属壳选择金或银，其介质层厚度及银层厚度均可以改变。

所述的探测光信号光路的构成为：复合金属纳米材料与被测水溶液一起填充到光子晶体光纤中，填充的复合金属纳米材料的浓度相同，但填充的水溶液的折射率不同。

当入射光子频率与金属自由电子的集体振荡频率发生共振产生共振损耗峰，则限制损耗：

α_loss＝10lge·α＝4.343α＝8.686k₀Im(n_eff)

式中：α＝2k₀Im(n_eff)表示衰减系数，k₀＝2π/λ，λ为入射光波长，n_eff为基模的有效折射率，Im表示取n_eff的虚部。

本发明具备下列技术效果：

本发明由于采用的宽谱光源为高功率超连续谱光纤激光器，其可产生质量非常好、效率高宽带激光，因此具备激光的特性，而且容易耦合进光子晶体光纤的效率高，使得系统损耗降低；

本发明由于采用了金属纳米材料的复合结构的填充，使得产生的共振峰有多个，这不仅扩大了使用的范围，即根据不同的领域需要选择不同波段的共振峰，而且使得传感器的复用性增强。而且还可以通过改变中间介质层即熔融石英或聚合物的厚度来调整共振峰的位置，从而更加扩大传感波段范围。

本发明的光子晶体光纤局域表面等离子体共振传感系统不仅具有常规光纤及光子晶体光纤传感器的众多优良特性(抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、多参量测量、灵敏度高、质量轻、体积小、可嵌入和远距离检测等)外，并且并有很高的紧凑性、可靠性、稳定性和灵敏度。

附图说明

图1为填充有复合金属纳米材料的光子晶体光纤的横剖面图。待测物质与复合金属纳米材料填充到第一层空气空中。

图2为复合金属纳米材料的横剖面图，由外到内，50纳米厚的银层\200纳米厚的熔融石英层\半径50纳米的银柱。

图3为横截面模式电场分布图。

图4为基于填充复合金属纳米材料的光子晶体光纤局域表面等离子体共振传感器系统结构图。其中：1、高功率超连续谱光纤激光器，2、透镜，3、单模光纤，4、3dB耦合器，5、填充有复合纳米材料及折射率为133的水溶液，6、填充有复合纳米材料及待测样品溶液，7、光谱仪。

图5为基模限制损耗与光波长的关系曲线。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种基于填充复合金属纳米材料的光子晶体光纤局域表面等离子体共振传感器。采用的方法及系统装置可以使得传感器根据不同的领域需要选择不同的波段范围，及共振峰所在的位置。

本发明通过下述技术方案加以实现的，一种可选择可调谐共振峰位置的光子晶体光纤传感器。其技术特征在于，该传感器的局域表面等离子体共振现象是基于在光子晶体光纤中填充一种复合金属纳米材料，该复合材料由50纳米厚的银层\200纳米厚的熔融石英层\半径50纳米的银柱这样一个复合结构构成，这种复合金属纳米材料随着待测液体填充到光子晶体光纤的空气孔中，当宽谱光源的光入射到光子晶体光纤中，因金属内部自由电子的协同振荡而产生局域表面等离子体共振，该金属纳米结构表面的局域电磁场被极大增强，展现出强烈的局域表面等离子体共振吸收，而且这种共振现象对周围的介质环境变化非常敏感，当待测液体的折射率发生改变时，可以通过探测输出光谱的变化(采用宽谱光源)或者光强变化(采用单色光源)达到检测待测液体的动态变化信息，例如生化物质的检测等，以便采取实时控制的目的。

本发明采用的技术方案进一步具体是：在一种光子晶体光纤中填充复合金属纳米材料，实现局域表面等离子体共振传感，基于此设计的传感器测量待测液体的折射率，从而可以分析物质的成份，并且本发明的传感器可以产生多个共振损耗峰，也可以通过调整复合纳米材料的介质层的厚度来调整共振峰的位置，即共振峰会随着厚度的增加而红移，从而实现共振峰的自我调谐功能，依据不同领域的需要选择不同的波长范围。本发明的局域表面等离子体共振传感器系统装置基本构成为：高功率超连续谱光纤激光器作为宽谱光源，其出射的光经过空间耦合系统耦合至单模光纤中，再经过耦合器按光功率均分为两路，两路的光子晶体光纤中均填充掺有复合金属纳米材料的水溶液，但是水溶液的折射率不同，其中一路光子晶体光纤中的溶液的折射率为1.33，作为参考信号光路，另一路中的待测液体的折射率可变，作为探测光信号光路，最后利用宽谱光谱仪接收两条光路的光信号，在光谱仪的显示屏上即会显示两条具有不同共振峰位置的光谱，最后利用计算机进行数据处理。

所述的光子晶体光纤的背景材料可以是熔融石英或聚合物材料，聚合物材料一般为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯(PS)等。

所述的复合金属纳米材料为：50纳米厚的银层\200纳米厚的熔融石英层\半径50纳米的银柱，中间介质层的材料与光子晶体光纤的背景材料一致，金属壳选择金或银，其介质层厚度及银层厚度均可以改变。

复合结构整体为一个圆柱体，中心为50纳米银柱，依次再镀上200纳米厚度的熔融石英层和50纳米的银层。

所述的探测光信号光路的构成为：复合金属纳米材料与被测水溶液一起填充到光子晶体光纤中，填充的复合金属纳米材料的浓度相同，但填充的水溶液的折射率不同。

本发明的局域表面等离子体传感器，填充在光子晶体光纤空气孔中的复合纳米材料及被测溶液构成传感介质，光入射产生局域表面等离子体共振现象，当被测溶液的折射率发生改变时，使局域表面等离子体共振损耗峰发生偏移，通过光谱仪来标定共振峰的偏移量，从而可以获得被测溶液的折射率实现待测物质的检测。

本发明提出的基于填充复合金属纳米材料的光子晶体光纤局域表面等离子体共振传感器，从实际应用的角度出发，解决了在光子晶体光纤微小气孔内镀金属膜的困难，只需将复合金属纳米材料随待测液体一起填充到空气孔中，而且也可根据需要改变填充的复合金属纳米材料的介质层的厚度改变共振峰的位置，实现共振波长的调谐作用，这样方便传感系统的多次重复检测使用，而且具有较高的灵敏度、可靠性和稳定性。这是光子晶体光纤传感局域表面等离子体共振的一大创新，并可以被广泛应用于不同波段范围需要的监控和过程检测，如生化反应、生物工程、临床医学等方面。

下面结合附图进一步说明本发明。

本发明的具体实施方案体现在如本例中图1所示的一种填充复合金属纳米材料的光子晶体光纤局域表面等离子体共振传感器，其可以实现共振峰调谐，根据不同的领域不同的波长范围需要选择适当的共振峰位置。

参照图1、图2，本发明的局域表面等离子体共振传感器的传感部件，包括：端面如图1所示的长度大约20cm的填充溶液的光子晶体光纤两根，一定浓度的复合纳米材料的水溶液，本例中，复合纳米材料的端面结构如图2所示，折射率为1.33的水溶液，及不同折射率的待测溶液若干。参照图4，本发明的传感系统，包括：高功率超连续谱光纤激光器1，一块与光源头部透镜想匹配的透镜2，一根普通的单模光纤3，3dB耦合器4，两根结构参数相同的填充有复合纳米材料及水溶液的光子晶体光纤5、6，5中的折射率为1.33作为参考信号光路，6中的为被测溶液，作为探测光信号光路，两条光路中的光均进入到光谱仪7中，形成两条共振光谱，根据连光谱的偏移量再通过计算及可以得出待测溶液的折射率。

本发明的传感器的传感元件仅为一根填充有复合纳米材料及溶液的光子晶体光纤，光耦合进入光子晶体光纤中，根据共振原理，当入射光子频率与金属自由电子的集体振荡频率发生共振产生共振损耗峰，则限制损耗：

α_loss＝10lge·α＝4.343α＝8.686k₀Im(n_eff)

式中：α＝2k₀Im(n_eff)表示衰减系数，k₀＝2π/λ，λ为入射光波长，n_eff为基模的有效折射率，Im表示取n_eff的虚部。当传感器的其他参数不变，光子晶体光纤中填充的溶液的折射率改变时，损耗峰的位置就会发生改变，这样根据共振峰的偏移量及传感器的灵敏度分辨率与被测溶液折射率建立的关系即可获得被测样品的折射率值。

本发明的优点在于，光子晶体光纤，结构简单，容易制作，而且光纤光路设计，调试简单，稳定性高，可靠性好。采用的方法及系统装置可以使得传感器根据不同的领域需要，选择不同的波段范围，及共振峰所在的位置。

提请注意：权2是以防审查员不认可权1宽松叙述形成的较大的保护范围，删除也可以，但至少说明书中应保留一句以降低授权风险。请审核看能否按这样的文本递交申请。

Claims (7)

1.一种光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器，其特征是，在光子晶体光纤中填充一种复合金属纳米材料，该复合金属纳米材料由50纳米厚的银层\200纳米厚的熔融石英层\半径50纳米的银柱这样一个复合结构构成，这种复合金属纳米材料随着待测液体填充到光子晶体光纤的空气孔中，当宽谱光源或单色光源的光入射到光子晶体光纤中，因金属内部自由电子的协同振荡而产生局域表面等离子体共振，该复合金属纳米材料结构表面的局域电磁场被极大增强，展现出强烈的局域表面等离子体共振吸收，当待测液体的折射率发生改变时，通过探测输出光谱的变化或者光强变化达到检测待测液体的动态变化信息目的。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器，其特征是，复合结构整体为一个圆柱体，中心为50纳米银柱，依次再镀上200纳米厚度的熔融石英层和50纳米的银层。

3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器，其特征是，采用高功率超连续谱光纤激光器作为宽谱光源，其出射的光耦合至单模光纤中，再经过耦合器按光功率均分为两路，两路的光子晶体光纤中均填充掺有复合金属纳米材料的水溶液，但是水溶液的折射率不同，其中一路光子晶体光纤中的溶液的折射率为1.33，作为参考信号光路，另一路中的待测液体的折射率可变，作为探测光信号光路，最后利用宽谱光谱仪接收两条光路的光信号，在光谱仪的显示屏上即会显示两条具有不同共振峰位置的光谱，最后利用计算机进行数据处理。

4.根据权利要求1所述的光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器，其特征是，所述的光子晶体光纤的背景材料是熔融石英或聚合物材料。

5.根据权利要求1所述的光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器，其特征是，所述的复合金属纳米材料为：50纳米厚的银层\200纳米厚的中间介质层\半径50纳米的银柱，中间介质层的材料与光子晶体光纤的背景材料一致，金属壳选择金或银，其介质层厚度及银层厚度均可以改变。

6.根据权利要求1所述的光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器，其特征是，所述的探测光信号光路的构成为：复合金属纳米材料与被测水溶液一起填充到光子晶体光纤中，填充的复合金属纳米材料的浓度相同，但填充的水溶液的折射率不同。

7.根据权利要求1所述的光子晶体光纤局域表面等离子共振传感器，其特征是，当入射光子频率与金属自由电子的集体振荡频率发生共振产生共振损耗峰，则限制损耗：

α_loss＝10lge·α＝4.343α＝8.686k₀Im(n_eff)

式中：α＝2k₀Im(n_eff)表示衰减系数，k₀＝2π/λ，λ为入射光波长，n_eff为基模的有效折射率，Im表示取n_eff的虚部。

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