CN105891944A - 基于光子晶体光纤的侧芯spr折射率传感模型 - Google Patents

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李军
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Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体光纤的侧芯SPR折射率传感模型，其横截面为圆形，纤芯周围为包层空气孔，纤芯设置为右侧纤芯和左侧纤芯；左侧纤芯为实心基底材料；右侧纤芯包括金属柱体检测孔和涂覆在金属柱体表面的待测介质层。本发明采用光子晶体光纤的侧芯SPR传感结构，激发出的SPP模与纤芯基模在相位匹配条件下实现共振耦合。并且在一定范围内具有很高的线性，灵敏度达到了21514nm/RIU，大大的提高了传感的效率和精度，对SPR_PCF的传感拥有巨大的应用价值。

Description

基于光子晶体光纤的侧芯SPR折射率传感模型
技术领域
本发明属于光子晶体光纤传感领域，尤其是涉及到PCF_SPR传感技术，具体涉及一种基于光子晶体光纤的侧芯SPR（表面等离子体共振）折射率传感模型。
背景技术
1992年，P. St. J. Russell等人提出利用二维的光子晶体作为光纤包层的光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)。再接着J. C. Knight于1996年拉制了世界上第一根折射率导引型PCF。之后1998年，J. C. Knight拉制了首根光子带隙导引型PCF。光子晶体光纤有时也可以叫做微结构光纤（micro-structured optical fiber,MOF）。现在光子晶体光纤主要包括两种：一种是跟传统光纤类似，被称为改进版的全反射型；另一种与前一种光纤相反，它包层的等效折射率比纤芯大，被称作为带隙光子晶体光纤。带隙光子晶体光纤又分为两种，实芯光子带隙光纤（solid core photonic bandgap fiber,SC-PBGF）和空心光子带隙光纤（hollow core photonic bandgap fiber,HC-PBGF）。光子晶体光纤对比传统光纤，有着许多优异的性能，如无截止单模特性、高双折射、极低损耗、可控的色散、高非线性、结构设计灵活可控等。因此受到了极大重视，备受关注。
表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)存在于金属与介质的交界区域，它是一种物理光学现象。光在介质与介质表面发生全反射时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在光密介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。两波满足一定的相干条件时，会发生共振。共振后反射光强会大幅度地减弱，能量会从光子转移到表面的等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使反射光的能量急剧减少。如果在光子晶体光纤中考虑到这两种波的共振，入射光能量会被吸收而产生损耗。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种基于光子晶体光纤的侧芯SPR传感模型,该模型采用在光子晶体纤芯旁侧引入圆形检测孔结构，很容易达到相位匹配，实现共振耦合。利用共振波长对金属表面介质折射率变化非常敏感这一特性,实现对介质折射率的检测,在一定范围内具有高线性和灵敏度，提高传感的效率和精度。
本发明的技术解决方案是：基于光子晶体光纤的侧芯SPR折射率传感模型，其横截面为圆形，包括基底、纤芯和包层空气孔，纤芯周围为包层空气孔，所述纤芯设置为右侧纤芯和左侧纤芯；所述左侧纤芯为实心基底材料；所述右侧纤芯包括金属柱体检测孔和涂覆在金属柱体表面的待测介质层。
进一步，所述基底和左侧纤芯的材料均为二氧化硅，其折射率为1.43-1.45。
进一步，所述包层空气孔以正三角形周期排列，包层空气孔中心间距为2-3um，包层空气孔直径为1-1.5um。
进一步，所述金属柱体检测孔融入金属，形成了金属柱体，柱体横截圆面的半径为0.3-0.6um。
进一步，所述待测介质层厚度为0.2-0.6um。
本发明采用光子晶体光纤的侧芯SPR传感结构，激发出的SPP模与纤芯基模在相位匹配条件下实现共振耦合。在一定范围内具有很高的线性，灵敏度达到了21514nm/RIU。检测孔为圆形状并且是用待测介质涂覆在金属柱体上，容易达到相位匹配，实现共振耦合，直接确定共振波长点，大大的提高了传感的效率和精度。本发明的结构对SPR_PCF的传感拥有巨大的应用价值。
附图说明
图1是本发明基于光子晶体光纤的侧芯SPR传感模型内部结构示意图；
图2是本发明基于光子晶体光纤的侧芯SPR传感模型传感特性曲线；
图3是待测介质层折射率从1.37至1.44时y偏振SPP模的损耗曲线图；
图中：1.基底，2.包层空气孔，3.右侧纤芯，4.金属柱体检测孔，5.待测介质层，6.左侧纤芯。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。参见图1至图3，一种基于光子晶体光纤的侧芯SPR传感模型，其横截面为圆形，包括基底1、纤芯和包层空气孔2，纤芯周围为包层空气孔2，其特征在于，所述的纤芯设置为右侧纤芯3和左侧纤芯6；所述的右侧纤芯3包括金属柱体检测孔4、待测介质5；所述的左侧纤芯6为实心基底材料。所述基底1和左侧纤芯6的材料为二氧化硅，其折射率为1.45。所述包层空气孔2以正三角形周期排列，晶格常数（相邻两个空气孔中心间距L）为2um，包层空气孔2直径Φ为1um。所述右侧纤芯3为圆形，金属柱体检测孔4半径r为0.48um，金属柱体检测孔3表面涂覆待测介质。所述待测介质5厚度δ为0.32um。
本发明采用光子晶体光纤的侧芯SPR传感模型，利用右侧纤芯3中的SPP模式与左侧纤芯6基模耦合，在相位匹配条件下达到共振耦合，局域在左侧纤芯6的光被右侧纤芯4中的金属柱体4大量吸收，传输损耗达到峰值。利用共振波长对金属表面介质折射率变化非常敏感这一特性实现对介质折射率的检测。传感特性曲线如图2所示，在待测介质5折射率为1.40-1.44范围内，具有超高线性特性，灵敏度达到25852nm/RIU。
金属柱体检测孔4为圆形，并且是金属柱体实芯，表面涂覆薄的待测介质5，激发的金属柱体检测孔4的SPP模更强烈，容易达到相位匹配的条件，实现纤芯6基模与金属柱体检测孔4的SPP模共振耦合，确定共振波长。如图3分别表示了待测介质折射率从1.37至1.44时金属柱体检测孔4的SPP模的损耗曲线图和待测介质5折射率为1.37时的纤芯6基模和金属柱体检测孔4的SPP模的抗交叉曲线（色散曲线和损耗曲线），当金属柱体检测孔4的SPP模式与纤芯6基模色散相同时为相位匹配点。结合图3可得出选定的金属柱体检测孔4的SPP模很容易达到损耗最大点，即共振耦合处，此时入射光波长就是要找的共振波长。
本发明的一种基于光子晶体光纤的侧芯SPR传感模型，采用金属（一般为金或银）作为激发表面等离子体金属，灵敏度可达到25852nm/RIU，在1.45-1.50折射率范围内具有超高线性特性。
本发明所提出的传感结构就是属于表面等离子体共振与光子晶体光纤结合传感这一类。光子晶体光纤内布满了空气孔，空气孔可以比较容易融入金属，形成金属柱体，在金属柱体表面涂覆待测介质。光纤内通光，达到相位匹配条件下，入射光波与表面等离子体波发生共振耦合。通过理论分析得到，改变金属表面待测介质的折射率对这两种波共振时的入射光波长非常敏感。利用这一特性，待测介质的折射率发生了变化或者周围环境影响了待测介质的折射率，两波的共振波长会发生明显的平移，光纤中的传输光损耗大小会发生改变，因此通过分析光子晶体光纤中传输光损耗大小就可以达到传感的目的。

Claims (5)

1. 基于光子晶体光纤的侧芯SPR折射率传感模型，其横截面为圆形，包括基底、纤芯和包层空气孔，纤芯周围为包层空气孔，其特征在于，所述纤芯设置为右侧纤芯和左侧纤芯；所述左侧纤芯为实心基底材料；所述右侧纤芯包括金属柱体检测孔和涂覆在金属柱体表面的待测介质层。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的侧芯SPR折射率传感模型，其特征在于，所述基底和左侧纤芯的材料均为二氧化硅，其折射率为1.43-1.45。
3.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的侧芯SPR折射率传感模型，其特征在于，所述包层空气孔以正三角形周期排列，包层空气孔中心间距为2-3um，包层空气孔直径为1-1.5um。
4.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的侧芯SPR折射率传感模型，其特征在于，所述金属柱体检测孔融入金属，形成了金属柱体，柱体横截圆面的半径为0.3-0.6um。
5.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的侧芯SPR折射率传感模型，其特征在于，所述待测介质层厚度为0.2-0.6um。
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