CN107121410A - 基于d型光纤spr折射率传感模型 - Google Patents

基于d型光纤spr折射率传感模型 Download PDF

Info

Publication number
CN107121410A
CN107121410A CN201710306378.8A CN201710306378A CN107121410A CN 107121410 A CN107121410 A CN 107121410A CN 201710306378 A CN201710306378 A CN 201710306378A CN 107121410 A CN107121410 A CN 107121410A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
refractive index
type optical
silver nanoparticle
index sensing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710306378.8A
Other languages
English (en)
Inventor
刘彬
梁红勤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanchang Hangkong University
Original Assignee
Nanchang Hangkong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanchang Hangkong University filed Critical Nanchang Hangkong University
Priority to CN201710306378.8A priority Critical patent/CN107121410A/zh
Publication of CN107121410A publication Critical patent/CN107121410A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/412—Index profiling of optical fibres

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于D型光纤SPR折射率传感模型，沿单模光纤的轴向切除包层，使单模光纤形成截面为D形的光纤，在包层的切除面涂覆的石墨烯层，再在石墨烯层上涂覆银纳米层，然后在银纳米层放置待测介质。本发明银纳米层的SPP模式与D型光纤基模在相位匹配条件下达到共振耦合，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，石墨烯层用来增强银纳米层表面等离子体共振折射率传感，在一定范围内具有高线性和灵敏度。

Description

基于D型光纤SPR折射率传感模型
技术领域
本发明属于光纤传感领域，尤其是涉及到基于表面等离子体共振(SPR)的光纤传感技术，具体涉及一种基于石墨烯增强D型光纤SPR折射率传感模型。
背景技术
光纤传感器目前在世界上的研究有很多，主要分为两个研究方向：原理性研究、开发应用性研究。由于目前的光纤发展迅速，光纤种类层出不穷而且应用领域也愈来愈广，因此光纤传感器的研究也越来越受重视。
SPR (surface plasmon resonance, 表面等离子体共振)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。表面等离子体共振传感器已被广泛应用于研究生物分子间的相互作用及浓度测量。随着研究的不断深入，表面等离子体共振技术将在疾病控制、药物开发、环境监测、食品安全以及国土安全等领域具有广阔的应用前景。如果提高表面等离子体共振传感器的灵敏度，将会使其应用更广泛。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种SPR折射率传感模型，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，实现基于D型光纤的介质折射率检测的高线性和灵敏度。
本发明的技术解决方案是：基于D型光纤SPR折射率传感模型，包括单模光纤，所述单模光纤的纤芯外包裹有包层，沿单模光纤的轴向切除包层，使单模光纤形成截面为D形的光纤，在包层的切除面涂覆的石墨烯层，再在石墨烯层上涂覆银纳米层，然后在银纳米层放置待测介质。
进一步，所述银纳米层的厚度为20-50 nm。
进一步，所述石墨烯层厚度为1-20 nm。
进一步，所述石墨烯层与纤芯在截面竖直方向的距离为5-7μm。
进一步，所述纤芯的半径为6-12μm。
进一步，所述纤芯的折射率为1.43-1.46。
进一步，所述包层的半径为30-70μm。
进一步，所述待待测介质折射率为1.41-1.45。
本发明是采用将普通单模光纤横截面切去一部分加工成D型剖面结构，在切面先涂覆一层石墨烯层，在石墨烯层上再涂覆银纳米层的结构。银纳米层的SPP模式与D型光纤基模在相位匹配条件下达到共振耦合，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，石墨烯层用来增强银纳米层表面等离子体共振折射率传感，在一定范围内具有高线性和灵敏度。
附图说明
图1是本发明模型结构示意图；
图2是待测介质折射率分别为1.42、1.43、1.44时，D型光纤基模损耗随波长变换曲线；
图3是本发明的D型光纤SPR折射率传感特性曲线。
图中：1.纤芯，2.包层，3.石墨烯层，4.银纳米层，5.待测介质。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1至图3，基于D型光纤SPR折射率传感模型，包括单模光纤，所述单模光纤的纤芯1外包裹有包层2；首先，沿单模光纤的轴向切除包层2，使单模光纤形成截面为D形的光纤，在包层2的切除面涂覆的石墨烯层3；再在石墨烯层3上涂覆银纳米层4，然后在银纳米层4放置待测介质5。光纤的纤芯1直径为8.6μm，折射率为1.4457；包层2的直径为80μm，折射率为1.4378；石墨烯层3的厚度为12 nm；银纳米层4的厚度为30 nm，石墨烯层3与纤芯1中心的距离为6μm。
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。将单模光纤切点一部分加工成D型结构，表面涂覆金属纳米层与待测介质5接触。由于金属层与纤芯1的距离很近，金属表面等离子体波与纤芯基模很容易发生共振耦合。通过理论分析得到，在金属纳米层下面增加一层石墨烯层3结构可以使得金属表面的待测介质5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5的折射率发生了变化或者周围环境影响了待测介质5的折射率，两波的共振波长会发生明显的平移，光纤1中的传输光损耗大小会发生改变，因此通过分析D型光纤中传输光损耗峰就可以达到传感的目的。
本发明采用D型光纤的SPR折射率传感模型，利用银纳米层4的SPP模式与D型光纤基模耦合，在相位匹配条件下达到共振耦合。耦合模式光部分局域在金属银纳米层4与待测介质5表面，传输过程中被金属银大量吸收，共振波长传输损耗达到峰值。而共振模式的光部分局域在待测介质5上，利用共振波长对金属表面待测介质5折射率变化非常敏感这一特性实现对介质折射率的检测。而石墨烯层3的设计有效的提高共振波长对待测介质5折射率变化的灵敏度。
如图2所示，待测介质5折射率分别为1.42、1.43、1.44时，D型光纤基模等效折射率虚部随波长变换曲线。在其峰值波长，金属纳米层SPP模式与光纤基模实现完全共振耦合。传输模式等效折射率虚部可以直接反应该模式下的传输损耗，所以等效折射率虚部峰值也可以认为是传输损耗的峰值。该结构传感特性曲线如图3所示，在待测介质5折射率为1.42-1.44范围内，具有超高线性特性，灵敏度达到超过50000 nm/RIU。
本发明采用金属（一般为金或银）作为激发表面等离子体金属，可以由灵敏度公式计算得出其灵敏度超过50000 nm/RIU。将石墨烯层3和银纳米层4涂覆在D型光纤表面，待测介质5与银纳米层4接触，容易达到相位匹配，实现SPP模式与光纤基模的共振耦合，通过传输损耗峰值位置确定共振波长，大大的提高了传感的效率和精度。本发明所设计的结构在光纤SPR传感方面具有巨大的应用价值。

Claims (8)

1.基于D型光纤SPR折射率传感模型，包括单模光纤，其特征在于，所述单模光纤的纤芯外包裹有包层，沿单模光纤的轴向切除包层，使单模光纤形成截面为D形的光纤，在包层的切除面涂覆的石墨烯层，再在石墨烯层上涂覆银纳米层，然后在银纳米层放置待测介质。
2.根据权利要求1所述的基于D型光纤SPR折射率传感模型，其特征在于，所述银纳米层的厚度为20-50 nm。
3.根据权利要求1所述的基于D型光纤SPR折射率传感模型，其特征在于，所述石墨烯层厚度为1-20 nm。
4.根据权利要求1所述的基于D型光纤SPR折射率传感模型，其特征在于，所述石墨烯层与纤芯在截面竖直方向的距离为5-7μm。
5.根据权利要求1所述的基于D型光纤SPR折射率传感模型，其特征在于，所述纤芯的半径为6-12μm。
6.根据权利要求1所述的基于D型光纤SPR折射率传感模型，其特征在于，所述纤芯的折射率为1.43-1.46。
7.根据权利要求1所述的基于D型光纤SPR折射率传感模型，其特征在于，所述包层的半径为30-70μm。
8.根据权利要求1所述的基于D型光纤SPR折射率传感模型，其特征在于，所述待测介质折射率为1.41-1.45。
CN201710306378.8A 2017-05-04 2017-05-04 基于d型光纤spr折射率传感模型 Pending CN107121410A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710306378.8A CN107121410A (zh) 2017-05-04 2017-05-04 基于d型光纤spr折射率传感模型

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710306378.8A CN107121410A (zh) 2017-05-04 2017-05-04 基于d型光纤spr折射率传感模型

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107121410A true CN107121410A (zh) 2017-09-01

Family

ID=59728050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710306378.8A Pending CN107121410A (zh) 2017-05-04 2017-05-04 基于d型光纤spr折射率传感模型

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107121410A (zh)

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107807338A (zh) * 2017-12-04 2018-03-16 沈阳建筑大学 基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器及测量方法
CN107976421A (zh) * 2017-11-10 2018-05-01 东北石油大学 工作在高折射率溶液环境下的双对称pcf-spr探针
CN108072631A (zh) * 2017-12-11 2018-05-25 华侨大学 基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器及其制作方法
CN108459449A (zh) * 2018-03-05 2018-08-28 北京大学 基于石墨烯光纤的全光调制器及其调制方法
CN108613950A (zh) * 2018-04-16 2018-10-02 暨南大学 增敏型细胞色素c光纤传感装置及方法
CN108646324A (zh) * 2018-04-28 2018-10-12 南昌航空大学 基于双短腔耦合系统pia效应的开关及控制方法
CN109085141A (zh) * 2018-08-22 2018-12-25 东北大学 基于氧化石墨烯和金纳米棒增敏的光纤spr传感器
CN109163745A (zh) * 2018-08-30 2019-01-08 电子科技大学 一种基于spr原理传感多参量的检测方法
CN109752345A (zh) * 2019-01-22 2019-05-14 北京交通大学 一种基于负曲率光子晶体光纤的spr低折射率传感器
CN109827901A (zh) * 2018-12-14 2019-05-31 山东师范大学 一种基于石墨烯金膜的d型塑料光纤的制备方法及其在spr生物传感器中的应用
CN110146469A (zh) * 2019-05-14 2019-08-20 桂林电子科技大学 一种石墨烯包覆的金纳米管表面等离子体光纤传感器
CN110836868A (zh) * 2019-11-27 2020-02-25 中国石油大学(华东) 基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器
CN111239076A (zh) * 2020-02-10 2020-06-05 江苏大学 一种表面等离子体共振光纤传感器
CN111272701A (zh) * 2020-03-03 2020-06-12 电子科技大学中山学院 一种基于金属氧化物纳米晶的气体传感器及其使用方法
CN113514401A (zh) * 2021-07-12 2021-10-19 桂林电子科技大学 一种基于双折射的石墨烯-金涂覆的pcf折射率传感器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102591039A (zh) * 2012-03-15 2012-07-18 电子科技大学 石墨烯薄膜-d型光纤宽带光偏振器
CN102621104A (zh) * 2012-03-15 2012-08-01 电子科技大学 石墨烯薄膜增敏的d型光纤spr传感器及其制备方法
CN103335741A (zh) * 2013-06-19 2013-10-02 暨南大学 一种基于石墨烯的光纤温度传感器及其制作方法
CN104568851A (zh) * 2015-01-15 2015-04-29 上海交通大学 Spr生物传感器用芯片及其制备方法和应用
CN105538812A (zh) * 2015-12-11 2016-05-04 深圳大学 一种高灵敏度的传感膜及表面等离子体共振传感检测系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102591039A (zh) * 2012-03-15 2012-07-18 电子科技大学 石墨烯薄膜-d型光纤宽带光偏振器
CN102621104A (zh) * 2012-03-15 2012-08-01 电子科技大学 石墨烯薄膜增敏的d型光纤spr传感器及其制备方法
CN103335741A (zh) * 2013-06-19 2013-10-02 暨南大学 一种基于石墨烯的光纤温度传感器及其制作方法
CN104568851A (zh) * 2015-01-15 2015-04-29 上海交通大学 Spr生物传感器用芯片及其制备方法和应用
CN105538812A (zh) * 2015-12-11 2016-05-04 深圳大学 一种高灵敏度的传感膜及表面等离子体共振传感检测系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LI WEIHONG ET AL.: "Fabrication and application of a graphene polarizer with strong saturable absorption", 《PHOTONICS RESEARCH》 *
毕卫红等: "石墨烯光纤及其应用", 《激光与光电子学进展》 *

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107976421A (zh) * 2017-11-10 2018-05-01 东北石油大学 工作在高折射率溶液环境下的双对称pcf-spr探针
CN107807338A (zh) * 2017-12-04 2018-03-16 沈阳建筑大学 基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器及测量方法
CN107807338B (zh) * 2017-12-04 2023-08-04 沈阳建筑大学 基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器及测量方法
CN108072631A (zh) * 2017-12-11 2018-05-25 华侨大学 基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器及其制作方法
CN108072631B (zh) * 2017-12-11 2023-07-18 华侨大学 基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器及其制作方法
CN108459449A (zh) * 2018-03-05 2018-08-28 北京大学 基于石墨烯光纤的全光调制器及其调制方法
CN108613950B (zh) * 2018-04-16 2021-02-05 暨南大学 增敏型细胞色素c光纤传感装置及方法
CN108613950A (zh) * 2018-04-16 2018-10-02 暨南大学 增敏型细胞色素c光纤传感装置及方法
CN108646324A (zh) * 2018-04-28 2018-10-12 南昌航空大学 基于双短腔耦合系统pia效应的开关及控制方法
CN109085141A (zh) * 2018-08-22 2018-12-25 东北大学 基于氧化石墨烯和金纳米棒增敏的光纤spr传感器
CN109163745A (zh) * 2018-08-30 2019-01-08 电子科技大学 一种基于spr原理传感多参量的检测方法
CN109827901A (zh) * 2018-12-14 2019-05-31 山东师范大学 一种基于石墨烯金膜的d型塑料光纤的制备方法及其在spr生物传感器中的应用
CN109752345A (zh) * 2019-01-22 2019-05-14 北京交通大学 一种基于负曲率光子晶体光纤的spr低折射率传感器
CN110146469A (zh) * 2019-05-14 2019-08-20 桂林电子科技大学 一种石墨烯包覆的金纳米管表面等离子体光纤传感器
CN110836868A (zh) * 2019-11-27 2020-02-25 中国石油大学(华东) 基于贵金属/绝缘体纳米复合材料的局域化表面等离子体共振传感器
CN111239076A (zh) * 2020-02-10 2020-06-05 江苏大学 一种表面等离子体共振光纤传感器
CN111272701A (zh) * 2020-03-03 2020-06-12 电子科技大学中山学院 一种基于金属氧化物纳米晶的气体传感器及其使用方法
CN113514401A (zh) * 2021-07-12 2021-10-19 桂林电子科技大学 一种基于双折射的石墨烯-金涂覆的pcf折射率传感器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107121410A (zh) 基于d型光纤spr折射率传感模型
Wang et al. A highly sensitive dual-core photonic crystal fiber based on a surface plasmon resonance biosensor with silver-graphene layer
Tian et al. All-solid D-shaped photonic fiber sensor based on surface plasmon resonance
Jain et al. Photonic crystal fiber-based SPR sensor for broad range of refractive index sensing applications
CN107976421B (zh) 工作在高折射率溶液环境下的双对称pcf-spr探针
CN106996920B (zh) 一种工作在中红外波段的低折射率pcf-spr传感器
Zhou Theoretical analysis of double-microfluidic-channels photonic crystal fiber sensor based on silver nanowires
Giudicatti et al. Plasmonic resonances in nanostructured gold/polymer surfaces by colloidal lithography
Kanmani et al. Effects of TiO2 on the performance of silver coated on side-polished optical fiber for alcohol sensing applications
CN109799208A (zh) 一种基于分光比可调马赫-曾德干涉仪的光纤传感器
Wang et al. High-performance tapered fiber surface plasmon resonance sensor based on the graphene/Ag/TiO2 layer
Aliee et al. Photonic quasi-crystal fiber-based plasmonic biosensor: a platform for detection of coronavirus
Ilchenko et al. Using metal-multilayer-dielectric structure to increase sensitivity of surface plasmon resonance sensor
Osamah et al. Study of single and symmetrical D-shaped optical fiber sensor based on gold nanorods
Wei et al. Optimization of tapered optical fiber sensor based on SPR for high sensitivity salinity measurement
Yin et al. Refractive index and temperature sensor of micro-groove photonic crystal fiber based on surface plasmon resonance
Sui et al. High sensitivity refractive index sensor with wide detection range and high linearity based on LSPR in hollow-core anti-resonance fiber
CN110108668A (zh) 一种基于银三角板的u型光纤lspr传感器
Opoku et al. Design and numerical analysis of a circular SPR based PCF biosensor for aqueous environments
Al-Qazwini et al. Performance evaluation of a bilayer SPR-based fiber optic RI sensor with TiO 2 using FDTD solutions
Bing et al. Double samples synchronous detection sensor based on up-core photonic crystal fiber
Ramani et al. Study of highly sensitivity metal wires assisted photonic crystal fiber based refractive index sensor
Tao et al. Refractive Index Sensing Simulations of CsPbBr3 Quantum Dots/Gold Bilayer Coated Triangular-Lattice Photonic Crystal Fibers
CN107807338A (zh) 基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器及测量方法
Seifouri et al. A photonic crystal fiber based surface plasmon resonance biosensor with elliptical and circular holes

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20170901