CN108956530B - 一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感特性，包括光纤体及光纤端面上的传感体，其中传感体由金属薄膜以及开设在金属薄膜上的圆孔狭缝阵列结构组成，这些个圆孔狭缝单元均贯通开设在金属薄膜上，并以周期性排布，每个圆孔狭缝单元尺寸和形状完全相同，圆孔狭缝结构单元内部均填满了外界介质。金属薄膜以及开设在金属薄膜上圆孔狭缝构成统一整体的传感体。本发明光纤传感器结构在近红外频段内具有较好的透射峰以及保持良好传感特性，并且通过改变相关结构参数可以达到调整光谱的偏移距离和透射峰的位置。从而可以实现灵敏度为156±5nm/RIU，使之在光纤传感器具有利用率高、使用范围广、检测精度高、易于加工等一系列优势。

Description

一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感器

(一)技术领域

本发明属于微纳光电子技术领域，具体涉及一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感特性。

(二)背景技术

光学异常透射现象：当光入射到具有亚波长周期孔阵列的金属薄膜时，光的透射效率得到了极大的增强，突破了传统孔径衍射理论的限制。自从1998年Ebbesen T.W小组等人研究具有周期性亚波长孔金属薄膜的光透射特性以来,发现了光学异常透射现象(EOT)，这种新奇的EOT现象引起了人们广泛的关注。研究者通过改变结构周期、孔洞形状、金属薄膜厚度、入射角度等各项参数，发现可以有效调节透射光谱位置和大小。这些透射光谱在生物传感、光学滤波器、纳米光刻、新型光源和光学存储等方面具有着广阔的应用前景。从而产生了一些与表面等离子激元相关的光学集成器件。

关于光学异常透射EOT现象的机理解释，被认为是表面等离激元(SPP)与入射光波的相互耦合效应。表面等离子激元是沿着金属-介质表面传播的一种特殊表面电磁消逝波，并垂直金属表面方向上呈指数衰减，它可以突破传统的光学衍射极限。由于其具有独特的表面波特性，它能够突破亚波长结构的约束来引导光传播，这将有利于实现光子器件结构尺寸的微型化。

近年来，科研成果日新月异，层出不穷。研究人员在不断优化亚波长孔阵列周期结构的各种参数来提高光透射性能。例如，Beermann J等人使用内嵌薄膜狭缝结构；Bai M等人提出了多层薄膜结构，均对光学异常透射EOT特性的研究具有重要的参考意义。随着科技的不断发展，光纤传感器作为一种检测装置，在生物医疗、环境监测、食品等领域有着广泛的应用，由于传统的光纤传感器在各方面性能受到了制约，在实际需求中没有得到更好的应用，而光学光纤传感器因其体积小、易于集成、易于加工等一系列优点，引起了越来越多的科研人员关注。但光学传感器还存在着测量精度不高、检测测精度差、灵敏度低等问题，为了解决此问题以及获得良好的传感特性，本发明提出一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感器。

(三)发明内容

本发明主要针对现有的等离子光纤传感器如何有效稳定及提高灵敏度问题，根据光纤传感体的各项参数来探讨光纤如何有效保持传感特性。因此提供一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感器。为了解决上述的问题，本发明是通过以下方案来实现：

基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感特性，包括光纤体以及设置在光纤端面上的传感体。光纤体由纤芯、外包层及涂覆层构成，其中纤芯包括内包层和纤核。所述传感体由金属膜和多个狭缝结构单元组成，这些狭缝结构单元贯通开设在金属膜上，并在金属膜上呈周期性排布，外界介质填充在狭缝结构单元内，每个狭缝结构单元均由贯通在金属膜上下表面的多个圆孔狭缝组成。

上述方案中，所述多个狭缝结构单元均完全一致。

上述方案中，所述多个圆孔狭缝结构单元形状和尺寸均相等。

上述方案中，所述金属膜的材料为金。

上述方案中，所述金属膜厚度符合工作条件即可。

上述方案中，所述金属膜的尺寸与光纤纤芯端面的尺寸完全相等。

上述方案中，所述光纤体的内包层厚度范围为0.01um～0.03um。

上述方案中，所述光纤体的内包层折射率范围为1.5～1.9。

上述方案中，所述外界介质折射率范围为1.30～1.38。

与现有的技术相比，本发明有以下的几个优点：1、入射平面光从光纤的下端入射，从金属圆孔阵列出射，当光入射到金属界面时，光子与金属表面产生表面等离激元，表面等离子激元沿着圆孔和金属界面传输，从而产生了共振耦合作用，在这种作用下，使得光透射增强。2、通过改变光纤体内包层厚度和折射率以及外界介质折射率等参数，可以有效的调整传感灵敏度性能，从而光纤传感特性进一步得到优化和准确，在应用进而减小误差，精确度更高，提高了传感器利用率。3、该光纤传感器结构简单，易于加工，封装尺寸小，集成度高，为光电子器件提供了一种新的传感器件。

(四)附图说明

图1为本发明基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感特性的三维结构图。

图2为本发明基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感特性的二维结构图。

图3为本发明不同两种光纤体结构等离子传感器的透射光谱曲线图。

图4为本发明光纤内介质层不同折射率时的透射光谱曲线图。

图5为本发明光纤内介质层不同折射率对灵敏度影响的曲线图。

图6为本发明光纤内介质层不同膜厚度时的透射光谱曲线图。

图7为本发明光纤内介质层不同膜厚度对灵敏度影响的曲线图。

图8为本发明不同外界介质折射率的透射光谱曲线图。

图9为本发明不同外界介质折射率与共振峰波长的关系。

图中标号为:1、金属膜，2、圆孔狭缝，3、光纤纤芯，4、光纤外包层,5、纤芯内介质层，6、光纤纤核。

(五)具体实施方式

为了更加了解本发明的目的、技术方案以及优点，下面结合附图对本发明进一步详细说明。

图1为本发明基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感特性三维结构图。主要由光纤体以及设置在光纤端面上的传感体组成。光纤体包括纤芯3和外层包层4构成，整个光纤体结构呈圆柱形，其中纤芯包括介质层5和纤核6；而光纤端面上的传感体由金属膜1和多个圆孔狭缝2结构单元组成，多个圆孔狭缝结构单元按周期性排布贯通开设在金属膜上，这些圆孔狭缝结构均呈圆柱体，并以均匀排布在金属膜上刻蚀而成。

图2为本发明基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感特性的二维结构图。图2中左图为光纤端面，其由光纤外包层4、纤芯内介质层5和纤核6组成，光纤端面上的金属膜表面尺寸与光纤端面纤芯尺寸完全相等。右图为光纤端面上的传感体，其由金属膜和开设在金属膜上的多个圆孔狭缝结构单元构成，金属膜采用金属材料制成，如金、银、铜等金属材料，但为了能够获得最佳的传感性能，本发明金属膜材料为金，其厚度符合工作条件即可。这些圆孔狭缝结构单元按周期性均匀排布在金属膜上，圆孔狭缝结构单元的数量是根据金属膜尺寸和单个圆孔狭缝结构单元周期大小确定，以圆孔狭缝结构单元尽可能的覆盖在金属膜上为准。每个圆孔狭缝结构单元的形状和大小均完全相同，这些圆孔狭缝结构单元均贯通金属膜的上下表面，构成一个整体统一的金属圆孔阵列结构。

为加工方便以及获得良好的传感性能，光纤端表面纤芯内纤核直径d_c为1.0um，每个圆孔个狭缝结构单元的直径d_a均为0.2um，并以两个圆孔圆心到圆心的距离Λ为周期，其周期Λ为0.4um。为了适用于不同的使用环境以及检测范围，可以通过改变光纤体和传感体的相关参数来调整光谱位置以及传感灵敏度。本发明中传感器的主要工作频段为近红外频段，各参数的变化可以是单个参数的改变也可以是多个参数的共同变化。具体可调整参数包括：光纤体材料结构、纤芯内介质层折射率n_(M)、纤芯内介质层厚度t_g、外界介质折射率n_s。

图3为本发明不同两种光纤体结构等离子传感器的透射光谱曲线图。图中横坐标表示为入射光波长，纵坐标表示为光出射的透射率，其工作波段为0.40um～0.65um，在图中两种不同的透射光谱曲线分别为布拉格光纤和芯包层光纤两种不同光纤结构仿真得出的结果。由图中结果可见，布拉格光纤的最高透射率达到17.5％并对应的共振波长为551nm，而芯包层光纤最高透射率为12.5％且对应的共振波长为560nm，可见它们最高透射率差值Δ为5％，甚至可以达到40％，其共振峰的波长偏移了9nm。布拉格光纤取31nm为半高宽，而芯包层光纤取47nm为半高宽。显然易知，布拉格光纤的透射率、半高宽比芯包层光纤的透射率、半高宽更高和更窄，从而证明布拉格光纤具有良好的传感性能。为了更好进一步理解光纤传感器的灵敏度特性，本发明采用布拉格光纤作为光纤体来进行研究。

图4为本发明光纤内介质层不同折射率的透射光谱曲线图。图中横坐标、纵坐标表示和工作波段均与图3一致，图中竖直方向的虚线表示峰值连接的变化情况，在图中五种不同的透射光谱曲线分别为光纤内介质层折射率n_(M)依次取值1.5、1.6、1.7、1.8、1.9时仿真得出的结果。由图中结果可见，当其它参数保持不变时，随着光纤内介质层折射率的增大，透射光谱曲线有微略变化，透射光谱偏移距离(Δλ_peak)很小，从而使灵敏度变化较小。

图5为本发明光纤内介质层不同折射率对灵敏度影响的曲线图。图中横坐标表示为光纤内介质层折射率，纵坐标表示为灵敏度，在图中折线为不同光纤内介质层折射率与灵敏度的关系。由图中结果可见，光纤内包层折射率1.5、1.6、1.7、1.8、1.9对应灵敏度分别为87nm/RIU、82nm/RIU、84nm/RIU、79nm/RIU、83nm/RIU，随着光纤内介质层折射率的增大，灵敏度整体上呈减小趋势。可见灵敏度变化基本不是很明显，从而可以说明，光纤内介质层折射率对灵敏度影响比较小，提高了灵敏度的稳定性。在光纤内包层折射率为1.5对应灵敏度为87nm/RIU上，具有一个最佳的传输峰值性能。

图6为本发明光纤内介质层不同厚度的透射光谱曲线图。图中横坐标、纵坐标表示和工作波段均与图3一致，竖直方向的虚线表示与图4一样。在图中五种不同的透射光谱曲线分别为光纤内介质层厚度t_g依次取值0.01um、0.015um、0.02um、0.025um、0.03um时仿真得出的结果。由图中结果可见，当其它参数保持不变时，随着光纤内介质层厚度的增大，透射光谱微略向短波长的方向移动，透射光谱曲线偏移距离(Δλ_peak)较小。

图7为本发明光纤内介质层不同厚度对灵敏度影响时的曲线图。图中横坐标表示为光纤内包层，纵坐标表示为灵敏度，在图中折线为光纤内介质层厚度与灵敏度的关系，由图中结果可见，其光纤内介质层层厚度0.01um、0.015um、0.02um、0.025um、0.03um所对应灵敏度分别为77nm/RIU、79nm/RIU、90nm/RIU、85nm/RIU、70nm/RIU。由图中可见，随着光纤内介质层厚度增大，灵敏度先增大后减小的趋势，其最高灵敏度达到90nm/RIU，从而可以说明，在光纤内介质层厚度为0.02um时，具有最佳的传感性能。从整体而言，通过调整光纤内介质层厚度可以有效的改变灵敏度的大小。

图8为本发明不同外界介质折射率的透射光谱曲线图。图中横坐标、纵坐标表示和工作波段均与图3一致。为进一步研究传感最佳特性，金属厚度取值为100nm，光纤内介质层折射率取值为1.5，光纤内介质层厚度取值为0.02um，在这些参数的取值下进行讨论不同外界介质折射率对传感特性的影响。图8中六种不同的透射光谱曲线分别为外界介质折射率n_s依次取值1.30、1.31、1.32、1.33、1.35、1.38时仿真得出的结果。由图中结果可见，随着外界介质折射率增大，透射光谱向共振长波长的方向进行移动，即进行红移，且共振峰波长偏移距离(Δλ_peak)逐渐增加，即谐振峰的波长偏移(Δλ_peak)增大。

图9为本发明不同外界介质折射率与共振峰波长关系。图中横坐标表示为外界介质折射率，纵坐标表示为透射峰共振波长，在图中直线为不同外界介质折射率与透射峰共振波长的关系。由图中结果可见，随着外界介质折射率的增大，透射峰共振波长随之增大，且共振峰波长偏移距离(Δλ_peak)增大，从而灵敏度得到了进一步提高。由图可见，图中的共振峰波长到下一个共振峰波长的倾斜率几乎一致，其均几乎近似于图中的直线，该直线的倾斜率为156±5nm/RIU，由外界介质折射率与透射峰共振波长的关系可知，该直线的斜率就是传感的灵敏度值，即灵敏度为156±5nm/RIU。显而易见，通过改变外界介质折射率可以有效的提高光纤传感器的灵敏度，并且光纤传感灵敏度的稳定性更加稳固，从而证明了外界介质折射率对光纤保持良好的传感特性。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因为本发明并非局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感器，包括光纤体以及设置在光纤端面上的传感体，其特征在于：光纤体由光纤纤芯(3)、光纤外包层(4)及涂覆层构成，其中光纤纤芯(3)包括纤芯内介质层(5)和光纤纤核(6)，而传感体由金属膜(1)和多个圆孔狭缝(2)结构单元组成；这些圆孔狭缝结构单元贯通开设在金属膜上，并在金属膜上呈周期性排布；外界介质填充在狭缝结构单元内；每个圆孔狭缝结构单元均贯通在金属膜上下表面；入射平面光从光纤的下端入射，从金属圆孔阵列出射，通过改变纤芯内介质层的折射率和厚度以及外界介质折射率，调整传感灵敏度性能；所述光纤体内介质层厚度范围为0.01um～0.03um；所述光纤体内介质层折射率范围为1.5～1.9；所述外界介质折射率范围为1.30～1.38。

2.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感器，其特征在于：所有多个圆孔狭缝结构单元均完全一致。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感器，其特征在于：所有多个圆孔狭缝结构单元在金属膜上呈矩阵式周期排布。

4.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感器，其特征在于：金属膜材料为金。

5.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感特性，其特征在于：金属膜的厚度为符合工作条件即可。

6.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光纤端面金孔阵列结构的折射率传感器，其特征在于：光纤体纤芯与金属膜的形状和尺寸均完全一致。

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