CN108956531A - 一种光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感器 - Google Patents

一种光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤端面电介质‑金属圆孔阵列结构的折射率传感器，整体结构由光纤体和传感体构成，其中传感体包括介质层、金属薄膜以及开设在金属薄膜上的圆孔狭缝阵列结构，这些圆孔狭缝单元均贯通开设在金属薄膜上下表面，并在金属膜上呈周期性排布，每个圆孔狭缝单元尺寸和形状完全相同且内部均填满了外界介质。其中介质层为金属薄膜的基底，介质层尺寸与金属薄膜完全一致。所述金属薄膜、介质层以及开设在金属薄膜上圆孔狭缝构成统一整体传感结构。本发明的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灵敏度性能，并且通过改变传感体相关结构参数可以有效调整光谱的间距和透射峰的位置。其中该传感器结构简单，易于加工，封装尺寸小，集成度高，为光电子领域提供了一种新的光学器件。

Description

一种光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感器
(一)技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域，具体涉及一种基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性。
(二)背景技术
表面等离激元(Surface Plasmon Polartion,SPP)是在金属-电介质表面上存在的一种特殊的电磁波模式。是在入射光的激发下金属表面的自由电子发生集体振荡所产生的。这种特殊的电磁波沿着金属表面方向传播，并垂直于金属表面方向上呈指数衰减，由于其具有独特的表面波特性，它能够将光波约束在空间尺寸远小于其自由空间波长区域。
光学异常透射(Extraordinary Optical Transmission，EOT)特性表现为：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1998年Ebbesen等人阐述这种EOT现象以来，关于此方面的研究得到了广泛的关注，并在许多方面显现出极其广阔的应用前景，比如生物传感、光学滤波器、纳米光刻、新型光源和光学存储等，并由此产生了一些与表面等离子激元相关的光学器件。
研究发现通过改变孔阵列结构的周期、金属膜厚度、孔形状、金属材料、外界折射率等参数，可以有效调节透射光谱曲线的位置以及透射率的大小。随着纳米科技不断发展，传感器在生物医疗、环境监测、食品安全等领域有着广泛的应用。但由于传统的光纤传感器在封装尺寸、精确度以及稳定性等方面性能受到了限制，不能够很好的满足实际需求，而基于等离子光学光纤传感器因其体积小、集成度高、功耗低、可靠性高等优势，已经引起了越来越多人的关注。依现有基于光纤等离子光学传感器还存在着测量精度不高、灵敏度不稳定、应用范围有限等问题，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光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性。
(三)发明内容
本发明主要针对等离子光纤传感器如何有效保持传感特性以及提高灵敏度问题，通过光纤传感体的各项参数来讨论光纤传感性能。因此本发明提供了一种基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感。为了解决上述的问题，本发明是通过以下方案来实现：
一种基于光纤端面电介质-金属圆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。所述传感体由介质层、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，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，在多个圆孔狭缝结构单元内均填满了外界介质，其中介质层夹在光纤端面与金属膜之间，介质层、金属膜以及开设在金属膜多个圆孔狭缝结构单元构成统一整体的传感体。
上述方案中，所述多个圆孔狭缝结构单元均完全一致。
上述方案中，所述介质层材料为硅或二氧化硅。
上述方案中，所述介质层尺寸与光纤端面的形状完全一致。
上述方案中，所述介质层材料厚度范围为100nm～180nm。
上述方案中，所述介质层折射率范围为1.45～1.65。
上述方案中，所述多个圆孔狭缝的直径均相等。
上述方案中，金属膜的材料为金。
上述方案中，金属膜的材料厚度符合工作条件即可。
上述方案中，金属膜的整体形状、尺寸与光纤端面和介质层的形状、尺寸完全一致。
上述方案中，外界介质的折射率范围为1.30～1.38。
与现有的技术相比，本发明有以下的几个特点：1、入射平面光从光纤的下端入射，从金属圆孔阵列出射。可以通过改变外界介质折射率来优化传感器性能，使光纤传感器具有稳定的灵敏性。2、通过改变介质层厚度以及折射率，可以有效的改变灵敏度性能，从而使光纤传感保持良好的传输特性。3、通过调节各个参数结构可以有效的提高传感器的灵敏度，使在应用中进而减小误差，提高了传感器利用率，能够广泛的应用于监测环境与食品安全等领域。
(四)附图说明
图1为本发明基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性三维结构图。
图2为本发明基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性二维结构图。
图3为本发明有无介质层等离子光纤传感器的透射光谱曲线图。
图4为本发明不同介质层折射率的透射光谱曲线图。
图5为本发明不同介质层折射率对灵敏度影响的曲线图。
图6为本发明不同介质层厚度的透射光谱曲线图。
图7为本发明不同介质层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关系。
图中标号为：1、圆孔狭缝，2、金属膜，3、介质层，4、光纤外包层，5、纤核。
(五)具体实施方式
为了更加理解本发明的目的、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为本发明一种基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感器的三维结构图。其整体结构由光纤体4以及设置在光纤端面上的传感体组成。光纤体包括纤核5、外包层4及涂覆层构成，其整个光纤体结构呈圆柱体。光纤端面上的传感体由介质层3、金属膜2和多个圆孔狭缝1结构单元组成，其中介质层与金属膜均呈圆柱形，介质层紧夹在光纤端面与金属膜之间，介质层上端面镀上一层金属膜，在金属膜上刻蚀多个狭缝阵列结构，其这些狭缝结构均呈圆柱体，从而整体形成了金属圆孔结构。
图2为本发明一种基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感器二维结构图。由图可见，垂直方向上整体分为上、中、下三层。下层为光纤体，其主由纤芯、包层、涂覆层组成；而上、中两层分别为介质层3和金属层2，统称为传感体，其形状、尺寸均完全一致。金属膜可以采用金属材料制成，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t(Au)为100nm，金属膜表面开设多个圆孔阵列狭缝，其这些圆孔狭缝单元按周期性排布在金属膜上。圆孔狭缝结构单元的数量根据金属膜的尺寸和单个狭缝结构单元的周期大小确定，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一致并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。在工作过程中，入射平面光从光纤的下端入射，从金属圆孔阵列出射。
每个圆孔狭缝结构单元的直径D均为0.2um，以两个圆孔圆心到圆心的距离为周期T＝0.4um，纤核直径L＝1.0um。为了适用于不同的使用环境以及检测范围，可以通过改变传感器的相关参数来调整透射峰的频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：介质层折射率nd、介质层厚度td、外界介质折射率ns。通过可调整这些参数可以有效的改变传感的灵敏度特性。其灵敏度(S)定义为：
其中Δλpeak是对于不同的外部折射率值(下一个)的仿真得到的谐振峰的波长偏移，Δnext是外部折射率变化值。
图3为本发明有无介质层等离子光纤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0.4um～0.65um。在图中两种不同的透射光谱曲线分别为有介质层和无介质层仿真得出的结果。由图中结果可见，有介质层的最高透射峰的透射率为17.5％且对应的波长为552nm，而无介质层的最高透射峰的透射率为16.5％且对应的波长为566nm，其它们最高峰值透射率差值Δ为1％，甚至到达6％。且谐振峰的波长偏移了14nm。有介质层的透射光谱取半高宽值为35nm，而无介质层的透射光谱取半高宽值为40nm。结果表明，有介质层的透射率、半高宽比无介质层的透射率、半高宽较高和更窄。显然可知，有介质层等离子光纤传感器的透射性为最佳，从而证明了金属孔阵列介质光纤传感器具有良好的传感性能，为了进一步深入理解传感特性，本发明采用有介质层光纤来进行研究。
图4为本发明不同介质层折射率的透射光谱曲线图。图中横坐标和纵坐标表示均与图3一致，其工作波段可取在0.4um～0.7um，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不同介质层折射率依次取值1.45、1.50、1.55、1.60、1.65仿真得出的结果。由图中结果可见，随着介质层折射率增大，透射光谱位置向长波长的方向进行了移动，即进行了红移。透射光谱偏移距离(Δλpeak)逐渐减小，从而使灵敏度进一步得到了改变。
图5为本发明不同介质层折射率对灵敏度影响的曲线图。图中横坐标表示为介质层折射率，纵坐标表示为灵敏度，在图中折线为不同介质层折射率与灵敏度的关系。由图中结果可见，介质层折射率1.45、1.50、1.55、1.60、1.65对应的灵敏度分别为-38m/RIU、-25nm/RIU、-16nm/RIU、-7nm/RIU、-32nm/RIU，随着介质层折射率的增大，灵敏度绝对值先减小后增大的趋势，可见灵敏度有明显的变化，从而可以说明，通过改变介质层折射率可以有效调整传感器灵敏度。显然，在介质层折射率为1.45，其灵敏度为-38m/RIU时，可以实现最佳的透射峰值性能。
图6为本发明不同介质层厚度的透射光谱曲线图。图中横坐和纵坐标表示与图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介质层厚度依次取值100nm、120nm、140nm、160nm、180nm时仿真得出的结果。由图中结果可见，随着介质层厚度的增大，透射光谱微略有偏移，但光谱的偏移度(Δλpeak)很小，从而可知，改变介质层厚度几乎没有改变透射光谱位置及大小。
图7为本发明不同介质层厚度对灵敏度影响的曲线图。图中横坐标表示为介质层厚度，纵坐标表示为灵敏度，在图中折线为不同介质层厚度与灵敏度的关系，由图中结果可见，其介质层厚度100nm、120nm、140nm、160nm、180nm所对应的灵敏度分别为-22nm/RIU、-28nm/RIU、-16nm/RIU、-18nm/RIU、-20nm/RIU。随着介质层厚度增加，灵敏度绝对值整体呈减小趋势，但灵敏度没有明显的变化，其最高灵敏度绝对值达到28nm/RIU，最低到达16nm/RIU。由此可知，介质层厚度能够对灵敏度起到稳定性作用，通过改变介质层厚度对灵敏度的影响较小。在介质层厚度为120nm，其灵敏度为-28nm/RIU时，具有最佳的透射传输性能。
为进一步研究传感最佳特性，金属厚度取值为t(Au)＝100nm，介质层折射率取值为nd＝1.45，介质层厚度取值为td＝120nm，在这些最佳参数取值下进一步讨论不同外界介质折射率对传感特性的影响。
图8为本发明不同外界介质折射率的透射光谱曲线图。图中横坐标和纵坐标表示与图3一致，在图中六种不同的透射光谱曲线分别为外界介质折射率依次取值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的增大，透射光谱向共振短波长的方向进行移动，即进行蓝移。且波长偏移的距离逐渐增大，即谐振峰的波长偏移(Δλpeak)逐渐增大。
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，纵坐标表示为共振峰波长，在图中直线为不同外界介质折射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增加，透射峰共振波长随之减小，且谐振峰的波长偏移(Δλpeak)增大。从而使灵敏度提高。由图中可见，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，图中直线的倾斜率为-45±1nm/RIU，由外界介质折射率与透射峰共振波长的关系可知，图中直线的倾斜率就是灵敏度，其灵敏度绝对值为45±1nm/RIU,显而易见，通过改变外界介质折射率可以有效提高传感器的灵敏度，并且保持良好的传感特性。
以上所述对本发明的实施例进行了具体说明，但本发明并非是限制于本实施例，因此本发明并不局限于上述实施方案中，在不违背本发明的原理前提下，凡是在本领域技术人员在本发明做出各种等同的变型或替换，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于光纤端面电介质-金属圆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，其特征在于：所述传感体由介质层(3)、金属膜(2)和多个圆孔狭缝(1)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；在狭缝结构单元内均填满着外界介质。每个圆孔狭缝结构单元均由贯通在金属膜上下表面。介质层夹在光纤端面与金属膜之间，介质层与光纤端面、金属膜的形状和尺寸完全一致。
2.根据权利要求1所述的基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性，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所述的基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性，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所述的基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性，其特征在于：金属膜材料为金。
5.根据权利要求1所述的基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性，其特征在于：金属膜的材料厚度符合工作条件即可。
6.根据权利要求1所述的基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性，其特征在于：介质层材料为硅或二氧化硅，其介质层折射率介于1.45～1.65。
7.根据权利要求1所述的基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性，其特征在于：介质层的厚度介于100nm～180nm。
8.根据权利要求1所述的基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性，其特征在于：介质层与光纤端面、金属膜的形状和尺寸均完全一致。
9.根据权利要求1所述的基于光纤端面电介质-金属圆孔阵列结构的折射率传感特性，其特征在于：外界介质折射率介于1.30～1.38。
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Application publication date: 20181207

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