CN107976421B - 工作在高折射率溶液环境下的双对称pcf-spr探针 - Google Patents
工作在高折射率溶液环境下的双对称pcf-spr探针 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种光纤探针，具体涉及一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF‑SPR探针，光子晶体光纤的包层内设有中心空气孔，中心空气孔的周围设有八个呈正八边形交叉排列的外层小空气孔和外层大空气孔，包层的外壁上镀有银‑石墨烯复合膜。当有光射入两个光子晶体光纤内部的时候，不同波长的光分别以特定的模式在光纤内沿着轴心方向传播，而表面等离子体波则是以固定的模式在银‑石墨烯复合膜内传播。当光纤内某一波长的光与银‑石墨烯复合膜内的表面等离子体波的波矢相同时，银‑石墨烯复合膜内会发生能量耦合，光纤内的光能回耦合到银‑石墨烯复合膜内，光纤内的光能减少。能量损耗最大时对应的光波长为共振波长。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光纤探针，具体涉及一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针。
背景技术：
表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种较为特殊的物理光学现象，也是用来检测介质折射率变化的一种光学传感技术。由于表面等离子体共振传感技术具有不需要标识、可实时检测、抗干扰能力强、灵敏度高以及结构简单等突出优点，所以在生物、医疗、环保、能源等诸多领域前景广阔。
光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）与大家所熟知的传统意义上的光纤相比，其内部含有不同模式又周期性排列的小空气孔，目的是使其内部的折射率分布变的更加灵活。近年来，光子晶体光纤和光纤拉制技术都有了很大的发展，使光子晶体光纤表面等离子共振传感技术拥有了新的研究平台，从而光子晶体光纤SPR传感器也成为了新的研究热点。这种新型传感器因为其结构灵活、灵敏度高、体积小等自身特点，受到了各界的广泛关注，且拥有广阔的应用前景。但是，目前的PCF-SPR传感器普遍适用于1.45以下，并且位置固定，不便于携带。
发明内容：
本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供一种能够工作在高折射率溶液环境下并且便于携带的双对称光子晶体光纤表面等离子体共振探针。
本发明采用的技术方案为：一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针（PCF-SPR为光子晶体光纤表面等离子体共振的缩写），所述双对称 PCF-SPR探针包括两根对称的光子晶体光纤和涂覆层，所述光子晶体光纤的包层内设有中心空气孔，中心空气孔的周围设有八个呈正八边形交叉排列的外层小空气孔和外层大空气孔，所述包层的外壁上镀有银-石墨烯复合膜。
近一步地，所述中心空气孔的半径为0.8μm。
近一步地，所述外层大空气孔的半径是外层小空气孔半径的2.5倍。
近一步地，所述外层小空气孔的半径为0.8μm，所述外层大空气孔的半径为2μm。
近一步地，所述银-石墨烯复合膜厚度为45nm。
近一步地，所述银-石墨烯复合膜为三层石墨烯，石墨烯镀在银膜外侧。
近一步地，：所述包层的材料为环烯烃共聚物。
近一步地，所述光子晶体光纤为折射率引导型光子晶体光纤。
本发明的有益效果：双对称PCF-SPR（低折射率光子晶体光纤表面等离子体共振）探针的优点如：
（1）双对称PCF-SPR探针含有两根完全相同的光纤，可以使光的限制性损耗增强，利于对光信号进行检测。
（2）双对称PCF-SPR探针使用的是银-石墨烯复合膜，石墨烯镀于银的表面，可以有效提高银膜对光能的吸收。
（3）双对称PCF-SPR探针的两个环形银-石墨烯复合膜近距离摆放，可以使两个光纤之间的光能互相耦合，增强表面等离子体共振效应。
（4）双对称PCF-SPR探针的体积小，易于安装使用。
（5）双对称PCF-SPR探针的折射率检测范围是1.46~1.62，突破了1.45的限制。
（6）双对称PCF-SPR探针的涂覆层使用的环烯烃共聚物材料，成本低，加工简单，更耐破坏。
（7）双对称PCF-SPR探针的平均光谱灵敏度为11279.53 nm/RIU。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中光子晶体光纤的横截面示意图。
图3是本发明双对称PCF-SPR的共振波长与待测溶液折射率的对应关系图。
具体实施方式：
参照各图，一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针，所述双对称PCF-SPR探针包括两根对称的光子晶体光纤1和涂覆层7，所述光子晶体光纤1的包层5内设有中心空气孔2，中心空气孔2的周围设有八个呈正八边形交叉排列的外层小空气孔3和外层大空气孔4，所述包层5的外壁上镀有银-石墨烯复合膜6。该双对称PCF-SPR探针是利用银-石墨烯复合膜6作为传感层，将银-石墨烯复合膜6涂覆在两个光纤的包层5的外壁上，待测溶液位于银-石墨烯复合膜6外侧。当有光射入两个光子晶体光纤1内部的时候，不同波长的光分别以特定的模式在光子晶体光纤1内沿着轴心方向传播，而表面等离子体波则是以固定的模式在银-石墨烯复合膜6内传播。当光子晶体光纤1内某一波长的光与银-石墨烯复合膜6内的表面等离子体波的波矢相同时，银-石墨烯复合膜6内会发生能量耦合，光子晶体光纤1内的光能回耦合到银-石墨烯复合膜6内，光子晶体光纤1内的光能减少，即光子晶体光纤1内发生了能量损耗。能量损耗最大时对应的光波长为共振波长。通过能量损耗和共振波长的关系，画出能量的损耗谱。共振波长的大小随着银-石墨烯复合膜6外的待测溶液的折射率的变化而变化。当光子晶体光纤1置于某种溶液时，通过计算共振波长的大小即可检测出待测溶液的折射率值，从而达到传感的目的。
通过有限元法建立本发明的传感模型，利用计算机对其传感情况进行仿真，可以得到共振波长和待测溶液折射率之间的关系曲线，如图3所示。拟合直线的拟合公式为
这里λ代表共振波长，单位为nm，n代表待测溶液折射率，单位为RIU。
本发明的平均光谱灵敏度可以通过下式求出：
这里，Δλ代表共振波长的改变量，Δn代表待测液折射率的变化量。由此可以看出拟合直线公式的斜率即为本发明的平均光谱灵敏度，平均灵敏度的大小为11279.53 nm/RIU。
Claims (10)
1.一种工作在高折射率溶液环境下的双对称 PCF-SPR探针，其特征在于：所述双对称PCF-SPR探针包括两根对称的光子晶体光纤（1）和涂覆层（7），所述光子晶体光纤（1）的包层（5）内设有中心空气孔（2），中心空气孔（2）的周围设有八个呈正八边形交叉排列的外层小空气孔（3）和外层大空气孔（4），所述包层（5）的外壁上镀有银-石墨烯复合膜（6）。
2.根据权利要求1所述的一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针，其特征在于：所述中心空气孔（2）的半径为0.8μm。
3.根据权利要求1所述的一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针，其特征在于：所述外层大空气孔（4）的半径是外层小空气孔（3）半径的2.5倍。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针，其特征在于：所述外层小空气孔（3）的半径为0.8μm，所述外层大空气孔（4）的半径为2μm。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针，其特征在于：所述银-石墨烯复合膜（6）厚度为45nm。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针，其特征在于：所述银-石墨烯复合膜（6）为三层石墨烯，石墨烯镀在银膜外侧。
7.根据权利要求4所述的一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针，其特征在于：所述银-石墨烯复合膜（6）厚度为45nm。
8.根据权利要求6所述的一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针，其特征在于：所述银-石墨烯复合膜（6）厚度为45nm。
9.根据权利要求1、2、3、7或8任一项所述的一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针，其特征在于：所述包层（5）的材料为环烯烃共聚物。
10.根据权利要求1、2、3、7或8任一项所述的一种工作在高折射率溶液环境下的双对称PCF-SPR探针，其特征在于：所述光子晶体光纤（1）为折射率引导型光子晶体光纤。
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