CN109596573B - 基于表面等离子体共振的新d型结构光子晶体光纤传感器 - Google Patents

基于表面等离子体共振的新d型结构光子晶体光纤传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，包括基底、空气孔和金纳米薄膜，在基底中心设置有中心空气孔，空气孔包括小空气孔和D型大空气孔，中心空气孔的周围设置有小空气孔，中心空气孔及其邻域构成光子晶体光纤纤芯，即小空气孔围成的区域构成光子晶体光纤纤芯，小空气孔呈三角形排列或正多边形排列，在三角形或正多边形的每一个边外侧均设置有D型大空气孔，且D型大空气孔的直线面与三角形或正多边形的边相对应，且D型大空气孔的直线面镀设金纳米薄膜，D型大空气孔可无限外扩。有效解决金属纳米镀膜的均匀性以及待测液体填充的问题，便于实现高灵敏度的传感检测。

Description

基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤传感技术领域，特别是涉及基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感技术领域。
背景技术
当今时代，无论是食品安全、环境监测、还是医疗诊断，应用的传感器都要求具有小型化，免标记，灵敏度高，快速实时检测等特点，因此微型可集成的传感器的研究一直是国内外的前沿课题，对它的研究从未间断。上世纪80年代以来，基于表面等离子体共振技术的传感器因其高灵敏度、抗干扰的特性，引起了研究人员的广泛关注。
表面等离子体共振是一种物理光学现象，当光入射到金属介质表面时发生全内反射产生倏逝波。倏逝波能够激发金属表面的自由电子产生表面等离子体，满足一定条件时，倏逝波与表面等离子体发生共振，这种现象称为表面等离子体共振效应，此现象被广泛应用于传感领域，具有实时监测、无需标记、干扰小的优点。目前基于棱镜式表面等离子体共振传感器已经被应用于医疗诊断、环境监测中，但存在着价格昂贵、体积大的缺点。为了提高传感器性能和实现传感器件小型化和集成化，人们做了大量的研究。伴随着光纤产业的发展和光纤制造水平的提高，光纤表面等离子体共振传感器映入眼帘。与棱镜式表面等离子体共振传感器相比，光纤表面等离子体共振传感器具有小型化、多参量测量、可嵌入物体中等优点。但采用普通光纤作为敏感元件进行表面等离子体共振传感检测时，出现模式耦合损耗大、交叉敏感等缺点，极大地影响了光纤传感性能。光子晶体光纤概念的提出，解决了上述提到问题，并且传感性能更加优良，在生物化学检测中具有巨大的应用潜力。
1991年，Russell等人首次提出光子晶体光纤的概念。光子晶体光纤又称微结构光纤或多孔光纤，由石英或者石英聚合物以及空气孔构成，具有高非线性、无截止的单模传输、高双折射性、可控的色散等优点。由于光子晶体光纤具有独特的光学特性，科研人员开展了大量的研究工作。2006年，Hassani和Skorobogatiy率先提出基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器。光子晶体光纤传感器不需要额外的耦合装置，能够通过空气孔的排列设计有效的解决相位匹配的问题，实现纤芯模式与表面等离子模式的模式耦合，将待测物质折射率的变化转化成吸收峰的偏移变化，实现传感测量。另外基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器将空气孔作为待测液体通道，在空气孔壁上镀一层金纳米薄膜，操作更加简单，不存在封装等问题，降低了材料成本。光子晶体光纤传感器具有体积小、集成度高、设计灵活等优点，能够实现实时监测，在通信、医疗、国防、工业生产等各个领域有着广泛的应用前景。
近些年，国内外学者对基于表面等离子体共振光子晶体光纤传感器开展了大量的理论研究，选择性镀膜结构、多芯结构、悬芯结构等多种典型模型被应用传感，分辨率高达10-5量级，远优于市面上的其它传感器。遗憾的是目前尚没有产品化的光子晶体光纤传感器面世，主要困难是空气孔内金属纳米镀膜的均匀性以及微小空气孔中待测液体的填充，严重限制了基于表面等离子体共振光子晶体光纤传感器的发展和应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，有效解决金属纳米镀膜的均匀性以及待测液体填充的问题，便于实现高灵敏度的传感检测。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，包括基底、空气孔和金纳米薄膜，在基底中心设置有中心空气孔，空气孔包括小空气孔和D型大空气孔，中心空气孔的周围设置有小空气孔，中心空气孔及其邻域构成光子晶体光纤纤芯，即小空气孔围成的区域构成光子晶体光纤纤芯，小空气孔呈三角形排列或正多边形排列，在三角形或正多边形的每一个边外侧均设置有D型大空气孔，且D型大空气孔的直线面与三角形或正多边形的边相对应，且D型大空气孔的直线面镀设金纳米薄膜，D型大空气孔可无限外扩。
上述基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，所述三个D型大空气孔环绕在三角形排列的小空气孔外侧，相位依次相差120°。
上述基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，D型大空气孔的半径为4.5μm，D型大空气孔的直线面距中心空气孔中心距离为3μm，经过D型大空气孔的直线面中心的垂线距中心孔的中心为2μm。
上述基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，所述金纳米薄膜的厚度为40nm。（此段及以下三段有左侧缩进格式问题）
上述基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，所述三角形排列的小空气孔半径为0.6μm。
上述基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，所述相邻小空气孔间距为2μm。
上述基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，中心空气孔半径为0.2μm。
上述基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，所述正多边形为正四边形或正五边形，且D型大空气孔的排列方式为：每个D型大空气孔均与正多边形的直线边相平行，且顺着同一方向排列的D型大空气孔的直线端的开始位置与正多边形的直线的起始位置相错一定的距离。
相对于现有技术，有以下优点：
（1）三角型排列空气孔的设计，将光限制在纤芯中传输，较六角形排列方式能够显著降低光的传输损耗，提高传感器的灵敏度；中心空气孔尺寸较小，能够降低纤芯的有效折射率，便于表面等离子模式与纤芯模式耦合。
（2）D型大空气孔可以无限外扩，该设计有效解决了金属纳米镀膜的均匀性问题，同时有利于待测液体的填充，便于实现对待测液体的实时测量。选择镀金纳米薄膜，金的化学性质稳定，不易发生氧化。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2为待测液体折射率为1.33-1.39时光纤传感器的损耗图。
图3为待测液体折射率-共振波长关系图。
图4为波长灵敏度变化曲线图。
图5为小空气孔呈正四边形排列的结构示意图。
图6为小空气孔呈正五边形排列的结构示意图。
具体实施方式
如图1图5和图6所示，一种基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，包括基底5，其横截面为圆形，基底材料为性能稳定的二氧化硅，在基底中心设置有中心空气孔1，空气孔包括小空气孔和D型大空气孔，中心空气孔的周围设置有小空气孔2，小空气孔呈三角形排列或正多边形排列，中心空气孔及其邻域构成光子晶体光纤纤芯，即小空气孔围成的区域构成光子晶体光纤纤芯，在三角形或正多边形的每一个边外侧均设置有D型大空气孔3，且D型大空气孔的直线面与三角形或正多边形的边相对应，且D型大空气孔的直线面镀设金纳米薄膜4。
如图1所示，本发明三角形排列的小空气孔，作用是将光限制在纤芯中传输，较六角形排列方式能够显著降低光的传输损耗，提高传感器的灵敏度；所述三个D型大空气孔环绕在三角形排列的小空气孔外侧，相位依次相差120°，D型大空气孔的半径为4.5μm，D型大空气孔的直线面距中心空气孔中心距离为3μm，经过大空气孔的直线面中心的垂线距中心孔的中心为2μm。本发明三角形排列的小空气孔半径为0.6μm，相邻小空气孔间距为2μm。
本发明的中心空气孔半径为0.2μm，它的引入有效降低了纤芯模式的折射率，有利于实现纤芯模式与等离子体模式的相位匹配。
本发明金纳米薄膜的厚度为40nm。金作为表面等离子体共振的载体，比其他金属材料化学性能稳定且灵敏度高，能够保证传感器的稳定性、准确性。D型大空气孔可无限外扩的设计有效解决了金属纳米镀膜的均匀性问题，同时有利于待测液体的填充，便于实现对待测液体的实时测量。
待测液体充入D型大空气孔，当超连续宽带光源（SBS）入射到光子晶体光纤中时，激发D型靠近纤芯的直线侧金属薄膜中的自由电子产生表面等离子体。当满足相位匹配条件时，表面等离子体模式和纤芯模式发生耦合，在金属薄膜与待测液体交界处产生表面等离子体共振，特定波长的入射光被吸收。纤芯模式与表面等离子体模式产生共振，能量强烈损耗，因此在检测光谱上会出现明显的吸收峰。当待测液体折射率发生变化时吸收峰所处的波长也随之变化。图2为待测液体折射率为1.33-1.39时光纤传感器的损耗图。如图所示，当折射率为1.33至1.39时，共振波长分别为607nm、626nm、650nm、681nm、722nm、781nm、882nm。可见，随着待测液体折射率的增加，吸收峰强度不断增加，且共振波长向长波长方向移动，即红移。因此，通过检测共振波长就可以实现对待测液体折射率的直接分析，大大简化了传感步骤，增加传感效率。图3为待测液体在1.33-1.39范围内的共振波长变化曲线图。从图中可以看出，共振波长随着折射率的增加逐渐增大，并且波长变化幅度逐渐增大。
灵敏度和分辨率是衡量传感器性能的重要参量，灵敏度越高，分辨光谱的能力越强，即分辨出的数量级越小，传感性能越强。图4为波长灵敏度变化曲线图。如图所示，随着待测液体折射率的增加，传感器的灵敏度逐渐增大，由波长灵敏度的定义，可知，折射率从1.38变化到1.39时，吸收峰的峰值移动距离最大，为101nm，故该光子晶体光纤传感器的最大波长灵敏度可达10100nm/RIU。假设光谱仪分辨的最小单位为0.1nm，则该光子晶体光纤传感器的分辨率为9.910-6 RIU。由此可见，该传感器能够实现高灵敏度的待测液体折射率检测。
如图5所示，本发明小空气孔排列呈正四边形，且D型大空气孔的排列方式为：每个D型大空气孔均与正多边形的直线边相平行，且顺着同一方向排列的D型大空气孔的直线端的开始位置与正多边形的直线的起始位置相错一定的距离。
如图6所示，本发明小空气孔排列呈正五边形，且D型大空气孔的排列方式为：每个D型大空气孔均与正多边形的直线边相平行，且顺着同一方向排列的D型大空气孔的直线端的开始位置与正多边形的直线的起始位置相错一定的距离。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (8)

1.一种基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，包括基底、空气孔和金纳米薄膜，其特征在于：在基底中心设置有中心空气孔，空气孔包括小空气孔和D型大空气孔，中心空气孔的周围设置有小空气孔，小空气孔呈三角形排列或正多边形排列，在三角形或正多边形的每一个边外侧均设置有D型大空气孔，且D型大空气孔的直线面与三角形或正多边形的边相对应，且D型大空气孔的直线面镀设金纳米薄膜。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述小空气孔呈三角形排列时，三个D型大空气孔环绕在三角形排列的小空气孔外侧，相位依次相差120°。
3.根据权利要求2所述的基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，其特征在于：D型大空气孔的半径为4.5μm，D型大空气孔的直线面距中心空气孔中心距离为3μm，经过D型大空气孔的直线面中心的垂线距中心孔的中心为2μm。
4.根据权利要求3所述的基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述金纳米薄膜的厚度为40nm。
5.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述三角形排列的小空气孔半径为0.6μm。
6.根据权利要求5所述的基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，其特征在于：相邻小空气孔间距为2μm。
7.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，其特征在于：中心空气孔半径为0.2μm。
8.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述正多边形为正四边形或正五边形，且D型大空气孔的排列方式为：每个D型大空气孔均与正多边形的直线边相平行，且顺着同一方向排列的D型大空气孔的直线端的开始位置与正多边形的直线的起始位置相错一定的距离。
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