CN109100332B - 基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，包括金属薄膜以及开设在金属薄膜上的周期开口圆环狭缝阵列结构。单个周期结构由左右两个开口圆环狭缝构成，内外半径相同但圆心角不同的两个开口圆环狭缝水平位于单元中心左右两侧。本发明的传感器结构在近红外频段内具有高品质因数高透射率的双透射峰特性，利用该特性可进一步提高传感器灵敏度，并且可使传感器工作在两个不同的频段。同时，通过修改相关结构参数可以达到调整双透射峰频谱位置的目的，从而可以实现工作频段宽、适用范围广、灵敏度高、易于加工的等离子光纤传感器。

Description

基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器

(一)技术领域

本发明涉及微纳光电子技术领域，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，具体涉及一种基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器。

(二)背景技术

表面等离激元是在金属-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的方向传播，并在垂直于金属表面的方向上呈指数衰减，由于其独特的表面波特性，它能够将光波约束在空间尺寸远小于其自由空间波长的区域。表面等离激元对界面附近折射率变化十分敏感的特性为人们提供了高精度折射率传感的新模式。

光学异常透射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。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、金膜厚度、孔的形状、金属材料等参数，可以有效调节透射峰的位置，以及透射率的大小。随着科技的不断发展，传感器在生物、化学、医疗、食品等领域有着广泛的应用。但传统的传感器由于受体积、稳定性及精确度等性能的限制，不能很好的满足实际需求，而基于光纤的等离子光学传感器因其体积小、灵敏度高、可靠性好、易于集成等一系列的优点，引起了越来越多人的关注。但现有基于光纤的等离子光学传感器一般只有一个单透射峰，这就导致其应用范围有限以及测量精度不高等问题。

(三)发明内容

本发明所要解决的是现有基于光纤的等离子光学传感器只有单个透射峰，而导致其应用范围有限以及测量精度不高的问题，提供一种基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，包括光纤以及设置在光纤端面上的传感体，所述传感体由金属膜和多个非对称开口圆环狭缝单元组成；单个非对称结构包括左、右两个圆心重叠但开口角度不同的开口圆环构成；左、右两个开口圆环的内外半径相同；左、右两个开口圆环沿竖直方向不对称，沿X轴对称；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；待测介质填充在狭缝结构单元内；平面光经光纤入射到端面的金膜上，透射谱中的透射峰便包含传感信息。

上述方案中，所有开口圆环单元完全一致。

上述方案中，所有开口圆环内外半径完全一致。

上述方案中，所有开口圆环结构单元在金属膜上呈矩阵式周期性排列。

上述方案中，金属膜的尺寸与光纤端面的尺寸大小完全一致。

上述方案中，金属膜的材料为金。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、通过多狭缝的相互耦合，本发明所提出的传感器具有高品质因数的双透射峰频谱，基于其双透射峰特性，根据双透射峰对不同折射率的敏感度不同，可使单个传感器测量不同折射率范围的介质，大大提高了传感器的测量范围，提高了传感器利用率。

2、本发明基于其双透射峰特性，利用双透射峰对同一折射率的敏感性，可使双透射峰的传感结果进行相互弥补修正，进而减小误差，大大提高了检测精确度。

3、在制作本发明的传感器时，可通过改变金属膜厚度、狭缝宽度、狭缝长度等参数，使传感器的透射峰频谱位置具有可选择性，进而可制作针对特定检测范围的传感器。

(四)附图说明

图1为本发明的三维结构示意图。

图2为本发明的单个周期开口圆环的平面二维结构示意图。

图3为开口圆环的单个开口角变化时的透射率曲线图。

图4为开口圆环的内半径变化时的透射率曲线图。

图5为本发明的金属膜厚度变化时的透射率曲线图。

图6为本发明的狭缝填充介质折射率变化时的透射率曲线图。

图中标号为：1、金属膜，2、左侧开口圆环狭缝，3、右侧开口圆环狭缝。

(五)具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

一种基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，由光纤以及设在光纤端面的传感体组成。其中传感体如图1所示，由金属膜1和多个非对称开口圆环狭缝单元组成。本发明的生产方式是首先沉积出金膜，然后在金膜上刻蚀出开口圆环狭缝阵列，最后再将该金膜转移至光纤端面。

金属膜1的表面形状和尺寸与光纤端面的形状和尺寸完全一致。金属膜1可以采用金属材料制成，如金、银、铜等金属材料，但为了能够获得更好的传感性能，本发明的金属膜1的材料为金，厚度为H。

所有开口圆环狭缝单元贯通开设在金属膜1上，并在金属膜1上呈周期性排列。所述狭缝单元在金属膜1上可以呈矩阵、环形或其他周期性排布方式，但在本实施例中，所有狭缝单元在金属膜1上呈矩阵式周期排布。狭缝单元的数量根据光纤纤芯的尺寸和单个周期结构的大小确定，以开口圆环狭缝单元完全覆盖纤芯端面为准。

每个开口圆环狭缝单元的形状和尺寸均相一致，如图2所示。每个狭缝单元的周期大小是边长为P的正方形，其优选周期P的范围是300nm～450nm。每个单元中开口圆环狭缝1、2的圆心与正方形单元中心是重合的，且两者的内外半径r、R都相同。狭缝1的圆心角为α，狭缝2的圆心角为β，为了得到两个透射峰，两个狭缝的圆心角α、β取不同值。圆心角α、β的中心线与X轴重合，即狭缝1、2沿X轴对称。

为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单个透射峰的频谱位置以及双透射峰之间的频谱距离，本发明中传感器的主要工作在近红外频段，各参数的改变可以是单个参数的改变也可以是多个参数的共同改变，具体可调整参数包括：周期长度P、金属膜厚度T、狭缝1圆心角α、狭缝2圆心角β、圆环内半径r、圆环外半径R。

图3所示为当角β固定为180°时α取不同角度时入射波长与透射率的关系曲线。图中横坐标为入射光波长，纵坐标为入射光穿过狭缝结构后的透射率。由图可知，当α角依次取值120°、100°、80°、60°时，透射谱随之逐渐蓝移，即往波长较小的方向移动。而且，第一个透射峰Peak1的透射率随之逐渐减小，而第二个透射峰Peak2的透射率随之逐渐增大。由此可知，可通过调节α角来整体调节两个透射峰的位置。

图4所示为当圆环外半径R固定为100nm时内半径r取不同值时入射波长与透射率的关系。当r依次取值40nm、50nm、60nm、70nm时，透射谱随之逐渐红移，即往波长较大的方向移动。Peak2的移动距离大于Peak1的移动距离，即两个透射峰对内半径的敏感度不同。而且，两个透射峰的透射率均无较大变化，即r可在不影响透射率的情况下对两个透射峰的位置进行调控。

图5所示为当金膜厚度取不同值时入射波长与透射率的关系曲线。当厚度T依次取值30nm、35nm、40nm、45nm时，透射谱随之蓝移，即往波长较小的方向移动。同时，Peak2的透射率几乎不变，而Peak1的透射率则随之逐渐小幅度减小。可以看出，T和r对透射谱的影响基本类似，但区别在于r对透射谱的影响相对较大。

由于本发明的开口圆环狭缝结构包括左右两个狭缝，平面光从光纤中透过两个个狭缝中填充的待测介质透射而出，因为两个狭缝会分别激发表面等离激元并发生相互耦合作用，导致透射谱中的透射峰会根据填充介质折射率的变化而变化，从而可以通过检测透射光的频谱确定狭缝中填充介质的折射率参数。也就是说，当折射率发生变化时，两个透射峰的频谱均发生移动，因此可以通过检测单个或者两个透射峰的频谱变化情况来判断待测介质的折射率参数。图6所示为开口圆环狭缝填充不同折射率介质时入射波长与透射率的关系曲线。当折射率RI依次取值1.33、1.37、1.41、1.45时，透射谱随之逐渐红移，且Peak2的移动距离大于Peak1。折射率灵敏度是单位折射率的改变所引起的共振峰波长的改变，由此可得Peak1的灵敏度为173nm/RIU，Peak2的灵敏度为383nm/RIU。

本发明的传感器结构在近红外频段内具有高品质因数高透射率的双透射峰特性，并且通过修改相关结构参数可以达到调整双透射峰频谱位置的目的，从而可以实现利用率高、适用范围广、检测精度高、易于加工的等离子光纤传感器。

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，因此本发明并不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 (7)

1.基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，包括传感器本体，其特征在于：所述传感器本体由金属膜(1)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(1)上，并在金属膜(1)上呈周期性排布；狭缝结构的排布范围完全覆盖纤芯端面；每个狭缝结构单元均由贯通金属膜(1)上下表面的左、右两个开口圆环狭缝(2)、(3)组成；两个开口圆环的圆心位于周期单元的中心点处；两个开口圆环具有相同的内半径和外半径；两个开口圆环关于X轴对称；左右两个开口圆环的圆心角不相等；通过改变传感器的相关参数来调整单个透射峰的频谱位置以及双透射峰之间的频谱距离，各参数的改变可以是单个参数改变也可以是多个参数的共同改变，具体调整的参数包括：周期长度，金属膜厚度，左右两个开口圆环的圆心角，圆环内半径，圆环外半径。

2.根据权利要求1所述的基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，其特征在于：所有开口圆环狭缝结构完全一致。

3.根据权利要求1或2所述的基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，其特征在于：左右两个开口圆环的内外半径相等。

4.根据权利要求1所述的基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，其特征在于：所有开口圆环狭缝结构单元在金属膜(1)上呈矩阵式周期排布。

5.根据权利要求l所述的基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，其特征在于：金属膜(1)的材料为金。

6.根据权利要求1或5所述的基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，其特征在于：金属膜(1)的厚度范围为30nm～100nm。

7.根据权利要求1所述的基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，其特征在于：狭缝结构单元周期大小范围为300nm～600nm。

Images