CN105974515B - 一种填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器 - Google Patents

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Abstract

一种填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器，属于光纤传感技术领域，包括纤芯和包层，包层折射率低于纤芯；在光子晶体光纤的内层空气孔处，填充待测生物液体样本，并在包层的两个空气孔中填充金线。仿真得出不同波长下传感器的纤芯有效折射率的虚部值，进而计算传输损耗，通过损耗谱得到表面等离子体共振峰所处波长及传感器的灵敏度。待测生物液体样本不同的折射率，传输损耗谱共振峰峰所处的波长不同。本发明的优点是：该传感器将表面等离子共振技术与光子晶体光纤结合，并且得到了高达‑1700nm/RIU的灵敏度；待测液体样本的折射率范围较宽为1.37～1.44；结构简单，易于操作，在传感领域有很大的应用前景。

Description

一种填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别是一种填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器。
背景技术
光子晶体光纤又称微结构光纤和多孔光纤，根据导光机制不同，可以将光子晶体光纤分为折射率引导型光纤和光子带隙型光纤。
与传统的光纤相比，光子晶体光纤具有如下优点：无限单模传输特性、高的双折射特性、高非线性、低的有效模场面积、易于实现多芯传输以及设计灵活等优点。由于光子晶体光纤的结构对特性研究有很大的影响，因此可以根据需要来设计包层和纤芯的空气孔，满足现实生活中的应用需求。
表面等离子体共振技术能够激励非常强的本地电磁振荡，因此可以利用它实现高灵敏度的探测。
当前，将光子晶体光纤与具有超高灵敏度探测能力的倏逝波传感技术和表面等离子体共振传感技术结合，被广泛应用于传感探测领域。因为这类传感器可以克服传统光纤存在交叉敏感、耦合损耗大、保偏性不好等很难克服的问题。
发明内容
本发明的目的是解决目前已有的光纤传感器存在交叉敏感、灵敏度低的问题，提供一种结构相对简单并且易于制作的双芯光子晶体光纤，该光子晶体光纤采用了六边形包层并且引入了纤芯微结构，具有比现有的光纤更高的灵敏度，实现-1700nm/RIU的灵敏度。
本发明的技术方案：
一种填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器，包括纤芯和包层，包层折射率低于纤芯；纤芯具有直径不同的空气孔，在光子晶体光纤的内层空气孔处，填充待测生物液体样本，并在包层的两个空气孔中填充金线，其中填充待测生物液体样本的空气孔直径为dc，金线为dm，其余外层空气孔直径为d，空气孔间隔Λ，其中dc：dm：d：Λ＝1.4：1：1：1.6。
进一步的，所述的纤芯为光纤的背景材料石英玻璃。
进一步的，光子晶体光纤包层为正六边形的空气孔点阵排列。
进一步的，填充待测生物液体的内层空气孔直径为dc＝1.4μm；金线的直径dm＝1μm，其余外层的空气孔直径为d＝1μm，空气孔间隔Λ＝1.6μm。
进一步的，内层空气孔中填充的待测生物液体的折射率范围为1.37～1.44，待测生物液体的折射率小于纤芯的折射率。
进一步的，该生物传感器的灵敏度为-1700nm/RIU。
本发明的优点和有益效果：
本发明提出了一种结构相对简单并且易于制作的填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器，通过引入纤芯微结构，在实芯光子晶体光纤的包层空气孔中填充待测液体。纤芯模与表面等离子体激元耦合的共振波长偏移可反映待测液体的折射率，实现了对折射率的高灵敏、高精度传感。
附图说明
图1为该光子晶体光纤的截面结构示意图。
图中：1.包层圆形空气孔 2.石英玻璃 3.纤芯 4.金线 5.待测生物液体
图2为液体折射率为1.4，纤芯模和等离子体模的有效折射率及传输损耗随
波长变化关系图。图中箭头表示曲线所对应的y轴。
图3为表面等离子体共振波长随待测液体折射率变化关系图。
图4为传感器的灵敏度随待测液体折射率变化关系图。
具体实施方式
实施例：
参见附图1，本发明填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器，包括纤芯3和包层，包层折射率低于纤芯3；纤芯3为光纤的背景材料石英玻璃2。在光子晶体光纤的内层空气孔处，填充待测生物液体5，并在包层的两个空气孔中填充金线4。填充待测生物液体样本的空气孔直径为dc，金线为dm，其余空气孔直径为d，空气孔间隔Λ。仿真得出不同波长下传感器的纤芯有效折射率的虚部值，进而计算传输损耗，通过损耗谱得到表面等离子体共振峰所处波长及传感器的灵敏度。待测生物液体样本不同的折射率，传输损耗谱共振峰峰所处的波长不同。
填充液体的空气孔直径为dc＝1.4μm；金线的直径dm＝1μm，其余外层的包层圆形空气孔1直径为d＝1μm，空气孔间隔Λ＝1.6μm。
所设计的填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器，用于生物传感。
图2为液体折射率为1.4时，纤芯模和等离子体模的有效折射率及传输损耗随波长变化关系图，图中表明：通过传输损耗谱得出纤芯模与等离子体模的耦合效率随着波长的改变而改变，在波长为1.108μm处，纤芯模和等离子体模的耦合最强，该波长为共振波长；通过纤芯模和等离子体模的有效折射率的图像有交点，此处波长为1.108μm处，也说明该波长处纤芯模和等离子体模的耦合最强。
图3为表面等离子体共振波长随待测液体折射率变化关系图，图中表明：待测液体的折射率不同，纤芯模与表面等离子体模耦合的共振波长有所不同，并且随着液体折射率的增加，共振波长逐渐变小。
图4为传感器的灵敏度随待测液体折射率变化关系图，图中表明：随着待测液体的折射率改变，灵敏度也随之变化，通过仿真结果，计算得出最高达-1700nm/RIU的灵敏度。
应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器，其特征在于：包括两个中心对称设置的纤芯以及包层，包层折射率低于纤芯；包层具有直径不同的空气孔，光子晶体光纤包层为正六边形的空气孔点阵排列，在光子晶体光纤的内层空气孔处，填充待测生物液体样本，并在包层的两个分别位于纤芯两侧对称设置的空气孔中填充金线，其中填充待测生物液体样本的空气孔直径为dc，金线为dm，其余外层空气孔直径为d，空气孔间隔Λ，其中dc：dm：d：Λ＝1.4：1：1：1.6。
2.根据权利要求1所述填充金线的光子晶体光纤的表面等离子体共振生物传感器，其特征在于：所述的纤芯为光纤的背景材料石英玻璃。
3.根据权利要求1所述填充金线的光子晶体光纤的表面等离子体共振生物传感器，其特征在于：填充待测生物液体的内层空气孔直径为dc＝1.4μm；金线的直径dm＝1μm，其余外层的空气孔直径为d＝1μm，空气孔间隔Λ＝1.6μm。
4.根据权利要求1所述的填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器，其特征在于：内层空气孔中填充的待测生物液体的折射率范围为1.37～1.44，待测生物液体的折射率小于纤芯的折射率。
5.根据权利要求1-4任一项所述填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器，其特征在于：该生物传感器的灵敏度为-1700nm/RIU。
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