CN108181682A - 一种光子晶体光纤及表面等离子体共振传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体光纤及表面等离子体共振传感器。其中，光子晶体光纤，包括：氟化镁层、硅层、银线及光纤本体，其中：在所述光纤本体的中心部位有轴向的气孔；所述银线轴向设置在所述光纤本体的中心部位；待测液体轴向充入所述光纤本体中；所述氟化镁层包裹所述待测液体，且位于所述气孔和所述银线的外层；所述光纤本体中的其余空间被所述硅层填充。本发明中的氟化镁层位于银线的外层，可以有效防止银的氧化，保证了表面等离子体共振现象的产生，不仅提高了灵敏度和测量精度，而且还延长了使用寿命。

Description

一种光子晶体光纤及表面等离子体共振传感器
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光子晶体光纤及表面等离子体共振传感器。
背景技术
金属可以看作等离子体，并因电磁振荡产生等离子波。当入射波以某一角度或某一波长入射时，近场波矢K和SPW的波矢相等，从而发生谐振。入射光能量耦合到SPW波，反射光强度出现了一个凹陷。此时，入射光角度称为SPR角。SPR角随金属表面的折射率的变化而变化。
SPR(Surface Plasmon Resonance，表面等离子体共振)传感器的发展经历了三个阶段：第一阶段为基于棱镜耦合的SPR传感器，第二阶段为基于光纤耦合的SPR传感器，第三阶段为基于光子晶体光纤的SPR传感器。
现有的SPR传感器由于结构因素存在灵敏度低、测量精度低和使用寿命短的缺陷。
发明内容
本发明通过提供一种光子晶体光纤及表面等离子体共振传感器，解决了现有技术中表面等离子体共振传感器的灵敏度低、测量精度低和使用寿命短的技术问题，实现了提高表面等离子体共振传感器的灵敏度和测量精度、延长表面等离子体共振传感器的使用寿命的技术效果。
本发明提供了一种光子晶体光纤，包括：氟化镁层、硅层、银线及光纤本体，其中：
在所述光纤本体的中心部位有轴向的气孔；
所述银线轴向设置在所述光纤本体的中心部位；
待测液体轴向充入所述光纤本体中；
所述氟化镁层包裹所述待测液体，且位于所述气孔和所述银线的外层；
所述光纤本体中的其余空间被所述硅层填充。
进一步地，所述气孔和所述银线由所述光纤本体的轴向中心向外交错扩展。
进一步地，所述光纤本体的轴向中心为中心圆气孔；在所述中心圆气孔的外围有所述银线；所述银线的外围有外围圆气孔；所述外围圆气孔的外围有所述氟化镁层。
进一步地，所述外围圆气孔的数量大于所述银线的数量。
进一步地，所述中心圆气孔的半径为0.8μm；所述银线的半径为0.35μm-0.45μm；所述外围圆气孔的半径为0.4μm-0.5μm。
进一步地，所述氟化镁层的厚度为0.1μm。
进一步地，所述待测液体位于所述外围圆气孔与所述光纤本体的内壁之间。
本发明提供的基于光子晶体光纤的表面等离子体共振传感器，包括：如上述的光子晶体光纤、光源、加热部件及光谱仪；
所述光源照向所述光子晶体光纤；所述加热部件的加热端对所述光子晶体光纤加热；所述光子晶体光纤的信号输出端与所述光谱仪的信号输入端通信连接。
进一步地，还包括：控制器；所述控制器的信号输出端与所述光源、所述加热部件的信号输入端通信连接，所述控制器的信号输入端与所述光谱仪的信号输出端通信连接。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明中的氟化镁层位于银线的外层，可以有效防止银的氧化，保证了表面等离子体共振现象的产生，不仅提高了灵敏度和测量精度，而且还延长了使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光子晶体光纤的轴向剖面图；
图2为本发明实施例提供的表面等离子体共振传感器的结构框图；
图3为不同气孔半径和不同银线半径时的共振波长；
其中，1-待测液体，2-光纤本体，3-硅层，4-中心圆气孔，5-银线，6-外围圆气孔，7-氟化镁层。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种光子晶体光纤及表面等离子体共振传感器，解决了现有技术中表面等离子体共振传感器的灵敏度低、测量精度低和使用寿命短的技术问题，实现了提高表面等离子体共振传感器的灵敏度和测量精度、延长表面等离子体共振传感器的使用寿命的技术效果。
在对本发明实施例的技术方案进行说明之前，首先对表面等离子体共振进行介绍：
表面等离子体共振是指当入射光从介质射向金属薄膜且入射角度在适当的范围内时，在金属薄膜与介质的界面上将会发生全反射；如果入射光沿着平行于交界面的波矢量分量与表面等离子体极化波的波矢量相等，则可激发出表面等离子体波，这种现象被称为表面等离子体共振。
本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：
本发明实施例中的氟化镁层位于银线的外层，可以有效防止银的氧化，保证了表面等离子体共振现象的产生，不仅提高了灵敏度和测量精度，而且还延长了使用寿命。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
参见图1，本发明实施例提供的光子晶体光纤，包括：氟化镁层7、硅层3、银线5及光纤本体2，其中：
在光纤本体2的中心部位有轴向的气孔；
银线5轴向设置在光纤本体2的中心部位；
待测液体1轴向充入光纤本体2中；
氟化镁层7包裹待测液体1，且位于气孔和银线5的外层；
光纤本体2中的其余空间被硅层3填充。
对光子晶体光纤的结构进行具体说明，气孔和银线5由光纤本体2的轴向中心向外交错扩展。
具体地，光纤本体2的轴向中心为中心圆气孔4；在中心圆气孔4的外围有银线5；银线5的外围有外围圆气孔6；外围圆气孔6的外围有氟化镁层7。
对光子晶体光纤的结构进行进一步说明，待测液体1位于外围圆气孔6与光纤本体2的内壁之间。
进一步地，外围圆气孔6的数量大于银线5的数量。在本实施例中，外围圆气孔6有12个，银线5有6个。
对中心圆气孔4、银线5和外围圆气孔6的半径进行说明，中心圆气孔4的半径为0.8μm；银线5的半径为0.35μm-0.45μm；外围圆气孔6的半径为0.4μm-0.5μm。
在本实施例中，氟化镁层7的厚度为0.1μm。
这里需要说明的是，本发明实施例提供的光子晶体光纤可以通过下述制作方法制作而成，该制作方法具体包括：
将氢氧焰放置在单模光纤的下方，当移动两个平台时，光纤就会被拉伸，此时利用氢氧焰对光纤进行加热。在实际操作中，可通过控制氢氧焰的位置，制造直径最小为5μm的光子晶体光纤。在制作该光子晶体光纤的过程中，需要先选定光纤本体中的某一个气孔，然后将折射率匹配液填充进去。在本实施例中，采用飞秒激光选择性填充法，先将需要填充的光纤本体与普通的单模光纤熔接起来，然后选定需要填充的气孔，利用飞秒激光对准该气孔，将其以烧蚀的方式保持为开放状态，从而使得需要填充的气孔可以与外界接通。然后把已与外界接通的这端光纤本体浸入到所需填充的液体中，就能够完成选择性填充。最后，将光纤本体的两端与普通的单模光纤熔接即可。需要说明的是，在熔接过程中，可以使用型号为Fuj ikura FSM-80S的熔接机，从而将光纤本体与单模光纤有效连接起来。
参见图2，本发明实施例提供的基于光子晶体光纤的表面等离子体共振传感器，包括：上述的光子晶体光纤、光源、加热部件及光谱仪；
光源照向光子晶体光纤；加热部件的加热端对光子晶体光纤加热；光子晶体光纤的信号输出端与光谱仪的信号输入端通信连接。
为了提高表面等离子体共振传感器的自动化水平，还包括：控制器；控制器的信号输出端与光源、加热部件的信号输入端通信连接，控制器的信号输入端与光谱仪的信号输出端通信连接。
为了对测量数据进行显示，还包括：显示设备；控制器的信号输出端与显示设备的信号输入端通信连接。
在本实施例中，本发明实施例中的控制器可以基于有限元软件分析出待测液体1的折射率不同时的损耗峰值，以确定共振波长，再依据公式S＝△λP/△n可以算出灵敏度S。其中，△λP为光的透射损耗峰值的变化量，△n为待测液体1的折射率的变化量。而待测液体1的温度、浓度等参数都会影响到待测液体1的折射率，因此，可以通过折射率的变化来检测待测液体1的各种参数。
参见图3，当银线5的半径在0.35μm-0.4μm之间时，灵敏度最高，可分辨出折射率差值为0.01的液体。当银线5的半径小于0.35μm或大于0.4μm时，灵敏度下降，吸收峰只出现2个或者更少，无法分辨出折射率差值极小的液体。而气孔的半径在0.4μm-0.5μm之间时，灵敏度较高。
【技术效果】
本发明实施例中的氟化镁层位于银线的外层，可以有效防止银的氧化，保证了表面等离子体共振现象的产生，不仅提高了灵敏度和测量精度，而且还延长了使用寿命。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种光子晶体光纤，其特征在于，包括：氟化镁层、硅层、银线及光纤本体，其中：
在所述光纤本体的中心部位有轴向的气孔；
所述银线轴向设置在所述光纤本体的中心部位；
待测液体轴向充入所述光纤本体中；
所述氟化镁层包裹所述待测液体，且位于所述气孔和所述银线的外层；
所述光纤本体中的其余空间被所述硅层填充。
2.如权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述气孔和所述银线由所述光纤本体的轴向中心向外交错扩展。
3.如权利要求2所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述光纤本体的轴向中心为中心圆气孔；在所述中心圆气孔的外围有所述银线；所述银线的外围有外围圆气孔；所述外围圆气孔的外围有所述氟化镁层。
4.如权利要求3所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述外围圆气孔的数量大于所述银线的数量。
5.如权利要求3或4所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中心圆气孔的半径为0.8μm；所述银线的半径为0.35μm-0.45μm；所述外围圆气孔的半径为0.4μm-0.5μm。
6.如权利要求5所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述氟化镁层的厚度为0.1μm。
7.如权利要求3所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述待测液体位于所述外围圆气孔与所述光纤本体的内壁之间。
8.一种基于光子晶体光纤的表面等离子体共振传感器，其特征在于，包括：如权利要求1-7中任一项所述的光子晶体光纤、光源、加热部件及光谱仪；
所述光源照向所述光子晶体光纤；所述加热部件的加热端对所述光子晶体光纤加热；所述光子晶体光纤的信号输出端与所述光谱仪的信号输入端通信连接。
9.如权利要求8所述的表面等离子体共振传感器，其特征在于，还包括：控制器；所述控制器的信号输出端与所述光源、所述加热部件的信号输入端通信连接，所述控制器的信号输入端与所述光谱仪的信号输出端通信连接。
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