CN109655430A - 一种基于spr效应的螺旋微结构光纤折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，所述微结构光纤包层中心设有中心空气孔、以中心空气孔为中心对称分布有两个包层小空气孔和多个包层大空气孔，包层大空气孔截面直径大于包层小空气孔截面直径，微结构光纤包层外表面涂覆有等离子体激元材料层，等离子体激元材料层外表面涂覆氧化物薄膜层。本发明提供的一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，具有体积小、可集成等优点，在环境、生物和生化分析物检测检测方面有着广泛的应用价值。

Description

一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器
技术领域
本发明涉及一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，属于微结构光纤传感器技术领域。
背景技术
目前，表面等离子体激元（surface plasmon polaritons，SPP）因其独特的光学性质，吸引了众多研究者的关注，在光学传感探测、纳米光子学、近场光学等领域具有重要应用，形成了一系列新的热点方向。表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）光学传感器由于其灵敏度高、免标记、可实时检测等突出优点，在化学、生物、环境及医药等领域已展现出了广阔的应用前景。
尤其是近些年，随着微结构光纤（photonic crystal fiber，PCF）技术的发展，为表面等离子体共振在光学传感方面的应用提供了新的平台，人们研究了各种类型的基于SPR的PCF传感器，这些新型的传感器大都具有结构灵活、体积小、可集成等特点，应用潜力巨大。
根据金属等离子体激元材料所在位置的不同，PCF-SPR折射率传感器可分为两种类型。第一种类型是金属材料被涂覆在PCF的内部某些空气孔中，当待测物质填充于镀有金属膜的空气孔中时，通过分析透射光的频谱变化即可测得待测物质的特性，这种类型的传感器已经有过很多报道。不同于第一种PCF-SPR，第二种PCF-SPR的金属材料被涂覆在PCF的外表面，如D形PCF传感器，多纤芯PCF传感器等。这种类型的PCF-SPR折射率传感器制作工艺更加简单，但是金属等离子体激元材料极易氧化，这将影响传感器的可靠性。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，包括：微结构光纤包层，微结构光纤包层中心设有中心空气孔、以中心空气孔为中心对称分布有两个包层小空气孔和多个包层大空气孔，包层大空气孔截面直径大于包层小空气孔截面直径，微结构光纤包层外表面涂覆有等离子体激元材料层，等离子体激元材料层外表面涂覆氧化物薄膜层。
作为优选方案，所述包层小空气孔、包层大空气孔以中心空气孔为中心呈螺旋轨迹排列。
作为优选方案，所述等离子体激元材料层采用金膜，氧化物薄膜层采用TiO2膜。
作为优选方案，所述中心空气孔的半径为0.20±0.01μm，包层小空气孔的半径为0.30±0.01μm，包层大空气孔的半径为0.6±0.1μm。
作为优选方案，所述金膜的厚度为40±5nm，TiO2膜厚度为15±5nm。
作为优选方案，所述微结构光纤包层的材料为二氧化硅，其折射率由Sellmeier方程确定。
作为优选方案，微结构光纤为折射率引导型光子晶体光纤。
作为优选方案，所述中心空气孔与包层小空气孔之间设置有纤芯，所述纤芯为双芯结构。
有益效果：本发明提供的一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，该传感器内部空气孔呈螺旋轨迹排列，在微结构光纤外表面进行双层膜涂覆，先涂覆40nm的金作为等离子体激元材料，然后在金膜外面又涂覆了一层厚度为15nm的TiO2膜以防止金被氧化，且添加氧化物薄膜后传感器的透射谱损耗峰变得更尖锐，这将有利于透射谱损耗峰的检测，提高传感器的灵敏度。本产品体积小，易于实现传感器的微型化，灵敏度最高可达9000nm/RIU，分辨率可达1.11×10-5RIU。本发明主要用于对液体折射率进行检测，具有体积小、可集成等优点，在环境、生物和生化分析物检测检测方面有着广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器的横截面示意图。
图2为本发明基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器的基模有效折射率实部和虚部与基模损耗的对应关系图。
图3为本发明基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器的不同待测液折射率时基模的损耗谱图。
图4为本发明基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器工作状态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，包括：微结构光纤包层，微结构光纤包层中心设有中心空气孔1、以中心空气孔1为中心对称分布有两个包层小空气孔2和多个包层大空气孔3，包层大空气孔截面直径大于包层小空气孔截面直径，所述包层小空气孔2、包层大空气孔3以中心空气孔1为中心呈螺旋轨迹4排列，微结构光纤包层外表面涂覆有等离子体激元材料层5，等离子体激元材料层5外表面涂覆氧化物薄膜层6，所述中心空气孔1与包层小空气孔2之间设置有纤芯7。
所述等离子体激元材料层5采用金膜，氧化物薄膜层6采用TiO2膜。
中心空气孔1的半径为0.20±0.01μm，包层小空气孔2的半径为0.30±0.01μm，包层大空气孔3的半径为0.6±0.1μm，金膜的厚度为40±5nm，TiO2膜厚度为15±5nm，且空气折射率均为1；所述微结构光纤包层的材料为二氧化硅，其折射率由Sellmeier方程确定，微结构光纤为折射率引导型光子晶体光纤，微结构光纤的纤芯7为双芯结构。
实施例1：
测量液体折射率时，当入射光传入光纤时，各种波长的光分别以某种模式在微结构光纤中传播，包层空气孔的排列和结构使得微结构光纤具有特定的模式传输特性，中心空气孔和包层小空气孔的对称设计，用于给微结构光纤双芯结构留有空间，如果没有中心空气孔，该光纤纤芯设置在中心，会导致光波传输时光场的能量大部分聚集在光纤中心空气孔处，不利于光场能量耦合进入到包层小空气孔附近的金属膜表面，也就不利于表面等离子体共振的产生；而如果没有包层小空气孔，光场的大部分能量将会直接通过包层小空气孔所在位置从光纤左右两侧泄漏出去，同样不利于耦合与表面等离子体共振的产生；包层大空气孔以中心空气孔为中心呈螺旋轨迹排列，可以阻止光场能量从光纤上下两侧泄漏出去，此外，螺旋轨迹排列可以使包层空气孔更加紧凑，实现更严密的光场限制。当表面等离子体共振现象发生时，光纤纤芯处就会与金属界面处发生能量耦合，光纤纤芯处的光场能量会减少，转移到金属表面，通过测量光纤中光场能量损耗值和波长的关系，绘制出损耗谱。如图4所示，表面等离子体共振对待测液8折射率的变化非常敏感，当样品折射率发生变化时，损耗谱中的共振波长和共振强度也会发生变化。通过观察该基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器损耗谱的变化情况，就能检测出待测液8的折射率值，从而达到了传感的目的。
基于通过仿真软件建立本发明的传感模型，模拟计算其传感过程，可以得到某一波长下的微结构光纤基模有效折射率，该折射率是一个复数。待测液折射率为1.41时，基模有效折射率实部和虚部与波长的对应关系如图2所示。折射率虚部在波长1067nm处有最大值。
传感器基模损耗谱如图3所示。当待测液折射率从1.36到1.41变化时，共振峰发生红移，且红移的距离随着折射率的变大而逐渐增加。然后，找出对应的共振波长和待测液折射率的关系，通过软件拟合，得到二者的关系式。当测量折射率的时候，只需要测出该折射率下的共振波长，即可以得到折射率的值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，包括：微结构光纤包层，其特征在于：所述微结构光纤包层中心设有中心空气孔、以中心空气孔为中心对称分布有两个包层小空气孔和多个包层大空气孔，包层大空气孔截面直径大于包层小空气孔截面直径，微结构光纤包层外表面涂覆有等离子体激元材料层，等离子体激元材料层外表面涂覆氧化物薄膜层。
2.根据权利要求1所述的一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，其特征在于：所述包层小空气孔、包层大空气孔以中心空气孔为中心呈螺旋轨迹排列。
3.根据权利要求1所述的一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，其特征在于：所述等离子体激元材料层采用金膜，氧化物薄膜层采用TiO2膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，其特征在于：所述中心空气孔的半径为0.20±0.01μm，包层小空气孔的半径为0.30±0.01μm，包层大空气孔的半径为0.6±0.1μm。
5.根据权利要求3所述的一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，其特征在于：所述金膜的厚度为40±5nm，TiO2膜厚度为15±5nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，其特征在于：所述微结构光纤包层的材料为二氧化硅，其折射率由Sellmeier方程确定。
7.根据权利要求1所述的一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，其特征在于：所述中心空气孔与包层小空气孔之间设置有纤芯，所述纤芯为双芯结构。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感器，其特征在于：微结构光纤为折射率引导型光子晶体光纤。
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