CN109682781B - 一种五角形排布的光子晶体光纤传感器 - Google Patents

一种五角形排布的光子晶体光纤传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五角形排布的光子晶体光纤传感器，包括基底材料，包层空气孔，金纳米线及待测液体；基底材料为石英；空气孔布局为内、外两层，且呈相互倒置的五角形排布；外层孔径大于内层孔径；内层空气孔紧凑，主要用于限制光束在纤芯传输；外层空气孔分散，用来改变包层的相对折射率并调节光纤的属性；外层的第二空气孔是圆形或扇形，在其底部固定有金纳米线，用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料。本发明光纤结构设计简单，在实施操作上，能够在保证高灵敏度、高分辨率的前提下，针对不同的实验条件灵活选取不同的实施案例，方便制备。

Description

一种五角形排布的光子晶体光纤传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其是一种五角形排布的光子晶体光纤传感器。
背景技术
光纤中的表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)是一种显著的光学现象，它是由入射光激发金属与电介质界面处的传导电子而引起的共振振荡。这种效应起因于入射光形成的消逝场与金属表面的自由电子间的耦合作用，效应发生时将伴随表面等离子体波产生，同时伴随纤芯模式损耗的急剧增加。由于波在导体和电介质的边界处，这些振荡对边界附近的任何折射率变化都非常敏感，因而，表面等离子体共振是一种非常有前景的传感检测手段。
这种光学效应由于具有高灵敏度、实时和无标记监测等优点，目前已经被广泛研究并成功应用于医学诊断、环境监测、生物化学研究、溶液浓度和折射率测量等许多领域。如今，大多数商用SPR传感器都基于衰减全反射原理并采用棱镜结构。这些传感装置对光学和机械部件的可靠性要求都很高，同时由于机械结构的复杂性，这将大大增加测量和维护成本，并限制其应用范围。为了解决这个问题，Jorgenson于1993年提出并演示了第一个基于光纤的SPR传感器。近年来，科研工作者又反复尝试并成功将表面等离子体共振效应应用到了光子晶体光纤(Photonic crystal fibers，PCFs)中，用来进行光纤传感，并表现出了显著的性能。
折射率引导型光子晶体光纤，主要通过在包层中引入空气孔来调节其包层有效折射率与纤芯之间的折射率差，从而保证利用全内反射将光束缚在纤芯内进行传输。通过对空气孔的大小、形状和位置等参数进行灵活的调整，就可以很方便地实现对光纤属性的调节。此外，由于气孔的存在，就为诱导等离子体模式产生的金属纳米线、金属棒和金属膜等金属的填充，以及待测分析物的填充提供了很好的渠道；微加工技术的兴起，也为将圆形结构的光子晶体光纤加工为D型光子晶体光纤提供了保障；而光子晶体光纤的玻璃基底材料属性，则为D型光子晶体光纤传感器的研制提供了一种很好的操作基体。因此，光子晶体光纤具有与传统光纤不同的特殊性能，通过更改其结构参数就可以很灵活地控制消逝波的传输，这将更有利于将二者很好地结合在一起，从而为制备高灵敏的新型光纤传感器件提供了很好的手段和方法。
基于金属诱导表面等离子体共振理论在光子晶体光纤传感器中的应用，研究人员已经取得了许多成就，但也存在一些问题，比如：光子晶体光纤的结构设计的过于复杂，不容易制备；分析物折射率的可探测范围窄；传感探测的灵敏度低；设计的传感器结构单一，无法提供替代方案等。这些都极大地限制了光子晶体光纤传感器的应用范围和功能，寻求突破迫在眉睫。
发明内容
本发明目的在于提供一种结构简单，便于制造，灵敏度高，具有相互可替代结构的等离子共振型光子晶体光纤传感器。
具体地，本发明提供一种五角形排布的光子晶体光纤传感器，其包括基底材料、包层空气孔、金纳米线及待测液体；
所述包层空气孔包括外层空气孔以及内层空气孔，所述内层空气孔用于限制光束在纤芯内进行传输，所述外层空气孔用于改变包层的相对折射率并调节光纤的属性，所述外层空气孔包括四个第一空气孔以及一个第二空气孔，所述内层空气孔包括五个第三空气孔，所述第一空气孔与所述第二空气孔的直径相等，所述第一空气孔和第二空气孔的直径大于所述第三空气孔的直径；
所述内层空气孔的五个第三空气孔形成第一五角形结构，所述外层空气孔的四个第一空气孔以及一个第二空气孔共同形成第二五角形结构；
所述第二空气孔内部填充有待测液体，所述第二空气孔的内壁最下方固定所述金纳米线，所述金纳米线的配置用于作为表面等离子体共振的诱导材料。
优选地，所述光纤的基底材料为二氧化硅。
优选地，所述第一五角形结构的顶点、所述第二五角形结构的边线的中点以及光纤的圆心位于同一条直线上。
优选地，所述第三空气孔的直径d1为1.2μm，所述第三空气孔的圆心到光纤圆心的距离r1为1.7μm。此处的光纤圆心指未抛磨的光纤的中心圆心处，也指五个第三空气孔围成的五角形结构的几何中心。
优选地，所述第一空气孔以及第二空气孔的直径d2为2.4μm，所述第一空气孔以及第二空气孔的圆心到光纤圆心的距离r2为3.5μm。
优选地，所述金纳米线的直径dg为0.4μm。
优选地，所述待测液体的折射率范围为1.32～1.38。
优选地，所述第一空气孔和第三空气孔为圆形，所述第二空气孔为圆形或扇形，所述金纳米线为圆形，当所述第二空气孔为扇形时，其圆弧长度大于零且小于第一空气孔周长。
优选地，当第二空气孔为扇形时，所述第二空气孔的扇形结构通过对光纤的侧面进行抛磨形成，待测液体填充第二空气孔的扇形区域以及光纤的整个抛光面，抛磨后形成的抛光面平行于距离第二空气孔最近的两个第三空气孔的圆心连线；构成第二空气孔扇形结构的圆弧的两个端点所在的抛光面贯通整个光纤的包层以形成抛光面上除扇形结构外的其他区域平整的D型光子晶体光纤传感器。
优选地，五个第三空气孔围成的五角形结构的几何中心到所述抛光面之间的最短距离为3μm或4μm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
①面对相同的折射率检测需求，本发明提供了传感灵敏度完全相同、但结构却不相同的两种光子晶体光纤传感器，并且第二种传感器是在第一种传感器的结构参数保持不变的基础上由第一种传感器通过侧面抛光加工获得。本发明在实施操作上，能够在保证高灵敏度、高分辨率的前提下，针对不同的实验条件灵活选取不同的实施案例。即，该传感器即可以选择空气孔呈五角形排布，且第二空气孔为圆形的，不需要抛磨的圆形光子晶体光纤结构；又可以选择空气孔呈五角形排布，并需要对光纤进行侧面抛磨，形成对应一定抛光深度的、第二空气孔为扇形结构的D型光子晶体光纤结构。
②本发明所述光纤设计结构简单，传感器容易制备。对第二空气孔为圆形结构的光子晶体光纤传感器可方便采用现有的堆积-拉伸法、激光钻孔法等方式来制备，对D型光子晶体光纤传感器则可以在圆形光子晶体光纤的基础上通过侧面抛磨和微加工技术来轻松实现制备。
③本发明所述光纤结合表面等离子体共振效应，可实现折射率1.32-1.38的变化范围传感检测，表现为在折射率1.37-1.38内实现12000nm/RIU的最高灵敏度，传感器分辨率达到8.33×10-6RIU，适用于各类生物、化学、医药等高精度传感应用。
附图说明
图1为本发明的光纤截面结构示意图；
图2a为本发明的实施例2的光纤截面结构示意图；
图2b为本发明的实施例2的光纤抛光前后的结构示意图；
图3为本发明实施例1的光子晶体光纤的添加标注后的光纤截面结构示意图；
图4为本发明实施例1的光子晶体光纤的三维前视图；
图5a为本发明实施例1的x偏振模式下分析物折射率为na＝1.36时的色散关系和损耗谱图；
图5b为本发明实施例1的y偏振模式下分析物折射率为na＝1.36时的色散关系和损耗谱图；
图6a为本发明实施例1的x偏振模式下折射率实部与波长的函数关系示意图；
图6b为本发明实施例1的y偏振模式下折射率实部与波长的函数关系示意图；
图6c为本发明实施例1的x偏振模式下损耗与波长的函数关系示意图；
图6d为本发明实施例1的y偏振模式下损耗与波长的函数关系示意图；
图7a为本发明实施例1的结构模型1的局部细节及其在0.9μm的共振波长时的x偏振与y偏振的模场示意图；
图7b为本发明实施例1的结构模型2的局部细节及其在1.27μm的共振波长时的x偏振与y偏振的模场示意图；
图8a为发明实施例1中，在结构模型1和结构模型2两种不同模型下的x偏振方向的损耗与波长的函数关系图；
图8b为本发明实施例1中，在结构模型1和结构模型2两种不同模型下的x偏振方向的共振波长与分析物折射率的函数关系图；
图8c为本发明实施例1中，在结构模型1和结构模型2两种不同模型下的y偏振方向的损耗与波长的函数关系图；
图8d为本发明实施例1中，在结构模型1和结构模型2两种不同模型下的y偏振方向的共振波长与分析物折射率的函数关系图；
图9a为本发明的第二空气孔为圆形时的光纤端面结构示意图；
图9b为本发明的第二空气孔为扇形时的光纤端面结构示意图；
图10a为本发明实施例2的抛光前后光子晶体光纤的x偏振模式的损耗与波长关系示意图；以及
图10b为本发明实施例2的抛光前后光子晶体光纤的y偏振模式的损耗与波长关系示意图。
具体实施方式
以下将参考附图来详细说明本发明的示例性实施例以及光子晶体光纤传感器的性能特征。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例中的光纤传感器的结构及构成等各个方面，但除非特别指出，不必按比例绘制附图。
具体地，本发明提供一种五角形排布的光子晶体光纤传感器，如图1所示，其包括基底材料1、包层空气孔、金纳米线4及待测液体。包层空气孔包括外层空气孔3以及内层空气孔2，内层空气孔2用于限制光束在纤芯内进行传输，外层空气孔3用于改变包层的相对折射率并调节光纤的属性，外层空气孔3包括四个第一空气孔31以及一个第二空气孔32，内层空气孔2包括五个第三空气孔21，第一空气孔31与第二空气孔32的直径相等，第一空气孔31和第二空气孔32的直径大于第三空气孔21的直径。第一空气孔31和第三空气孔21为圆形，第二空气孔32为圆形或扇形。在图1中，第二空气孔32为圆形，对于图1结构的光子晶体光纤传感器，其待测液体分析物需要填充到第二空气孔32中。第二空气孔32的内壁最下方固定金纳米线4，金纳米线4的配置用于作为表面等离子共振效应发生的诱导材料。内层空气孔2的五个第三空气孔21形成第一五角形结构，外层空气孔3的四个第一空气孔31以及一个第二空气孔32共同形成第二五角形结构。每一个第一五角形结构的顶点与光纤的外轮廓构成的圆的圆心连线，都垂直于第二五角形结构上距离该顶点最近的一条边线，即光纤包层空气孔的排布方式为由内外两层呈五角形排布的空气孔相互倒置形成，即第一五角形结构的顶点、第二五角形结构的边线的中点以及光纤的圆心位于同一条直线上。
也即每一个由构成第二五角形结构的五个空气孔中的相邻两个空气孔的圆心(当第二空气孔32为扇形结构时，第二空气孔32的圆心是指光纤刨磨前其为圆形时的圆心)连线所构成的线段的中点、与第一五角形结构上距离该两个气孔连线中点最近的一个第三空气孔21的圆心、以及光纤结构的几何中心位于该完整光纤的一条直径上。光纤结构的几何中心为当第二空气孔32为圆形时由完整光纤横截面的外轮廓所构成的圆形或当第二空气孔32为扇形时由在刨磨前的完整光纤横截面的外轮廓所构成的圆形的圆心。
第二空气孔32的圆心、金纳米线4的圆心及光纤的圆心在同一条直线上。图1中的5表示完美匹配层。它是在利用有限元法对光纤进行性能仿真时所加的计算边界，完美匹配层仅在对光纤性能进行仿真时才使用。
在图2中，如图2a所示的第二空气孔32为圆弧长度大于零、且小于第一空气孔31周长的扇形，其为圆形空气孔通过对光纤包层的整体抛磨得到。图2b显示了将完整的圆形光子晶体光纤抛磨为扇形的D型光子晶体光纤的示意图，具体为将图2b的原光纤包层上方区域30进行抛磨加工，直到将第二空气孔32由圆形抛磨为图2b所示的符合抛光深度的扇形凹槽8，另外固定金纳米线4于该扇形凹槽8的底部，金纳米线4被用于作为表面等离子共振效应发生的诱导材料。如图2b所示，抛光面40平行于与扇形凹槽8相邻的两个第三空气孔圆心20的连线50，且抛光面40到由第三空气孔21围成的正五角形结构的几何中心10之间的垂直距离h被定义为抛光深度。对于图2结构的经抛光后形成的气孔呈五角形排布的D型光子晶体光纤传感器，其待测液体分析物的检测通道为如图2b所示的裸露在外的光纤抛光面40以及经光纤侧面抛磨后形成的扇形凹槽8，这些区域将用于盛放分析物溶液。图2所示的D型光子晶体光纤传感器是在图1所示的结构基础上通过抛磨形成的。
优选地，光纤的基底材料1为二氧化硅。
优选地，如图3所示，第三空气孔21的直径d1为1.2μm，第三空气孔21的圆心与光纤中心的距离r1为1.7μm。
优选地，第一空气孔31以及第二空气孔32的直径d2为2.4μm，第一空气孔31以及第二空气孔32的圆心到光纤中心的距离r2为3.5μm。
优选地，金纳米线4的直径dg为0.4μm。
优选地，待测液体的折射率可传感探测范围为1.32～1.38。
优选地，第二空气孔32可以为圆形或扇形。在某个实施例中，第二空气孔32可以为圆形，在别的实施例中，第二空气孔32又可以为圆弧长度大于零且小于第一空气孔31周长的扇形。
优选地，当第二空气孔32为扇形时，第二空气孔32的扇形结构通过对光纤的侧面进行抛磨形成，待测液体填充第二空气孔32的扇形区域以及光纤的整个抛光面，抛磨后形成的抛光面40平行于距离第二空气孔32最近的两个第三空气孔21的圆心连线；构成第二空气孔32扇形结构的圆弧的两个端点所在的抛光面贯通整个光纤的包层以形成抛光面上除扇形结构外的其他区域平整的D型光子晶体光纤传感器。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1
本实施例采用图1所示的一种五角形排布的光子晶体光纤传感器，简称第一种传感器。
图4为图1的三维结构前视示意图。本发明光子晶体光纤由基底材料1，包层空气孔及金纳米线4三部分组成。图4中，气孔布局为内外两层相互倒置的五角形，内层空气孔2尺寸较小，外层空气孔3尺寸较大；包层最上方空气孔为主传感通道，全部填充待测液体；在第二气孔32的内壁最下方固定金纳米线4，用来作为表面等离子共振效应发生的诱导材料；空气孔为圆形。
利用熔接机错位熔接技术将实心传统单模光纤与该五角形光子晶体光纤错位熔接，部分封堵住该光纤的第一和第三空气孔21，然后再利用毛细现象和压力差法将待测液体直接填充到未封堵的第二空气孔32中，从而实现待测液体在五角形光纤空气孔中的选择性填充。然后将填充好待测液体的光子晶体光纤一端或两端与单模光纤进行同芯熔接，形成一个光子器件的完整体，优选两端都进行熔接。然后利用白光宽带光源，再利用聚焦物镜将光从已熔接好单模光纤的这一端将光耦合进入光纤的纤芯区域，特别地，若光子晶体光纤的两端都熔接了单模光纤，则可以选择从这两段单模光纤中的任一段单模光纤的未熔接那侧端头进行光耦合，然后在完整体的另一侧利用光谱仪进行实时测量，根据实时测量获得的光谱中因损耗而出现的谷所对应的波长位置，就将对应下面分析中光纤纤芯模式的损耗峰位置。再结合下面的分析，根据损耗峰所处的波长位置就将唯一确定该待测液体的折射率值，从而实现对待测液体折射率的传感测量。
本发明光子晶体光纤的模场分布存在x偏振和y偏振两种模式，并且在这种结构的光纤中，x偏振模式和y偏振模式下的损耗峰值具有相似性，如图5a和图5b所示。图5a为实施例1的x偏振方向下分析物折射率为na＝1.36时的色散关系和损耗谱图，图5b为该实施例的y偏振方向下分析物折射率为na＝1.36时的色散关系和损耗谱图。
在此处的图5a和图5b，以及后面的图6c、图6d、图8a、图8c、图10a和图10b等图所示的限制损耗随波长变化关系图中，都是通过方程L＝8.686×2π/λ×Im(neff)×104来计算得出在不同波长传输时的限制损耗，其中λ代表光波长，Im(neff)代表有效折射率的虚部。限制损耗的单位为dB/cm，波长单位为μm。
图5a和图5b中的插图分别表示出了在0.8μm时的电场分布情况，其中上、下插图分别为光纤的纤芯模式及形成于金纳米线的金属表面附近的表面等离子共振模式的模场分布。图5a和图5b都明显可见：在0.8μm处已经有一部分能量从纤芯转移到了金属表面产生了表面等离子体共振现象，对应地光纤的纤芯模式的损耗会有所增大。随着波长的增加，等离子体共振现象越来越明显，当在0.9μm时，纤芯模式与等离子体模式的有效折射率一致，此时这两种模式满足相位匹配条件，模式间发生了完全共振耦合，我们称此波长为共振波长。在共振波长附近，纤芯模式的电场分布大量地向金纳米线表面泄露，造成纤芯模式的能量极大地被转移到了表面等离子共振模式上，从而使得纤芯模式在完全共振的波长附近形成了尖锐的损失峰，在共振波长处，光纤的纤芯模式的损耗最高。随着操作波长的进一步增加，操作波长将逐步远离共振波长，光纤的纤芯模式的损耗将逐步降低，等离子体共振现象将逐步消失。
待测液体分析物的折射率不同将会导致共振损耗峰的位置不同，并且待测分析物的折射率将唯一对应该光纤的纤芯模式的共振波长，亦即一个特定的待测分析物折射率将唯一对应该光纤纤芯模式的一个唯一的损耗峰位置，也将唯一对应实际测量光谱中的一个唯一的谷位置。与此相对的是，我们只要通过对实验中所测得的光谱进行分析，找到波谷对应的波长值，就将唯一对应出一个待测液体的折射率值，这是本发明传感器进行传感检测的基本工作原理与方法。下述的图6及图8对此进行了详细的解释与阐述。
本发明光纤传感器的纤芯模式和等离子体共振模式的有效折射率实部在不同分析物折射率，范围从1.32到1.38下的损耗曲线如图6a和图6b所示。随着分析物折射率增加，表面等离子共振模式的折射率曲线发生红移，但这些曲线的斜率和纤芯模式的折射率曲线斜率不一致，所以纤芯模式和表面等离子共振模式的色散曲线将会相交，每一确定分析物对应一条确定的表面等离子体共振模式曲线，所以每一种液体折射率下色散曲线都会形成唯一一个交点，每一个交点所对应的波长即为在该分析物下的共振波长值，因而在损耗谱线图中该波长处将表现为一个尖锐的、易于识别的损耗峰。在图6a中，当分析物折射率从1.32变化到1.38时，共振波长分别为0.74,0.77,0.81,0.85,0.9,0.97和1.08μm，共振波长出现红移趋势。在图6b中，当分析物折射率从1.32变化到1.38时，随着待测液折射率的增加，共振波长分别为0.73,0.76,0.8,0.84,0.9,0.97和1.09μm。究其原因，随着分析物折射率的增加，表面等离子共振模式的有效折射率越来越接近于核心模式的有效折射率，这导致纤芯模式会出现更多的能量损失，同时也会出现更加明显的共振偏移。
本实施例光纤传感器对不同分析物折射率，范围从1.32到1.38的损耗曲线如图6的c、d图所示。图6c和图6d描绘了本发明光纤传感器x偏振与y偏振纤芯模式的损耗谱线，其中损耗峰可用于确定共振波长的位置，该位置对应于图6a和图6b色散曲线的交点处的波长。通过探测共振波长的偏移量，我们可以表征该光纤传感器的波长灵敏度。在图6c和图6d中，随着待测液体折射率的增加，共振波长出现红移，并且红移量也越来越大。
在传感检测中一般通过改变不同分析物折射率来观测损耗峰位移变化，并通过以下方程：Sλ＝dλpeak/dna来获得传感器的灵敏度。其中，Sλ表示灵敏，通常用单位nm/RIU来表示；na表示分析物的折射率,dna表示分析物折射率的变化；dλpeak表示共振波长的位移，单位是nm。当分析物折射率以0.01的变化量从1.32变化到1.38时，x偏振和y偏振模式分别能够获得110nm与120nm的最大共振波长偏移量。在对液体分析物进行传感探测时，在1.32～1.38的折射率探测范围内，两个偏振方向上分别能够实现11000和12000nm/RIU的最大光谱灵敏度检测。本实施例所提出的光纤传感器能够在较宽的折射率检测范围实现高灵敏度检测。再考虑到光谱仪的波长分辨率λmin＝0.1nm，对于x偏振和y偏振模式，所计算的光纤传感器的分辨率达到9.09×10-6和8.33×10-6RIU，传感器能够用于超高分辨精度的分析物探测。
为了更好地阐述金纳米线在本发明中的作用，以及表面等离子共振效应对光纤传感特性影响的重要性，本实施例将再引入一种新的光纤结构模型，并与本实施例所采用的模型进行对比。具体地，图7a列出的模型1是一种结构模型，其金纳米线位于最上方气孔底部并直接接触待测液体，这是本实施例所采用的第一种传感器的结构；图7b为新引入的模型2，将金纳米线4置于第二空气孔32正下方的二氧化硅基底材料中，并具体位于由第二空气孔32及与其相邻的两个第三空气孔21圆心所组成的三角形结构的几何中心。
图7a和图7b所示的两种模型的结构缩略图(中间图)以及它们在分析物折射率为1.36时在共振波长处的x偏振(左图)和y偏振(右图)模场图。很明显，比较两结构的模场图可以发现，在相同的折射率下，模型2的纤芯模式在共振波长处的能量泄漏非常严重。图8展示了这两种模型在探测不同折射率液体分析物时的损耗谱和共振波长随波长的变化关系。为了在相同的数值量级下来做图，在图8a和8c中，实线分别表示将模型1的损耗放大10倍和5倍时在x偏振和y偏振方向上的损耗谱的情况，而虚线则表示模型2的原始损耗谱。对比可知，当分析物折射率的探测范围为1.34-1.38时，模型2中的金纳米线对纤芯模式影响更大，表现为x偏振模式的损耗远远超过模型1，图8c中y偏振模式也与其类似。由图8a和8c可知，由于金纳米线4的存在，当纤芯模式和等离子体模式的有效折射率值的实部相同时，这两个模式就会发生相位匹配，产生等离子体共振效应，使得部分能量从纤芯泄露然后耦合到了金属表面，从而因急剧的能量泄漏而形成纤芯模式的损耗峰，这就为我们将光子晶体光纤用于传感提供了重要基础。可以说，金纳米线的存在非常必要，而且当金纳米线置于不同位置时，效果差异度也会非常大。如图8a和图8c所示，由于模型2的金纳米线相较于模型1距离纤芯更近，所以当发生等离子体共振时纤芯模式的损耗峰强度更大，但是由于对于相同的分析物折射率变化所引起的模型2的共振波长值移动并不大，所以这样就意味着模型2的传感检测分辨率比模型1要低。
图8b和图8d给出了在结构模型1和结构模型2两种不同模型下的x偏振和y偏振方向上的共振波长值与分析物折射率的函数关系图。图中明显可见，模型1对应的折线段更为陡峭，这表明如果液体分析物与金属直接接触，则其折射率的任何微小变化都将导致损耗特性的更加显著的变化。由于待测液体折射率与传感器纤芯模式损耗峰的唯一对应性，因此我们只要对设计的传感器进行如图8b和图8d的标定，然后通过测量光纤传感器的共振峰的位置就可以灵敏地检测出未知分析物的折射率值。
显然可知，光子晶体光纤传感器具有对待测分析物折射率变化的高灵敏感知特性，与限制损耗相比，光纤传感器的性能更依赖于共振峰的移动灵敏性。虽说模型1的损耗强度比模型2要小，但其传输谱线强度变化已足够用光谱仪来分辨。根据以上分析，作为表面等离子共振效应的诱导材料，金纳米线仅与液体直接接触时，光纤能够表现出良好的共振峰移动敏感性。因此综合考虑，模型1更适合做高灵敏的传感检测。
本实施例的模型2主要是通过让其与模型1的对比来充分展示光纤传感的各项技术，并进一步阐述本发明所涉及的一种五角形排布的光子晶体光纤传感器的优越性能及其创新性。
实施例2
本实施例给出一个基于光子晶体光纤侧面抛磨技术制备而来的D形光子晶体光纤传感器，简称第二种传感器。
图9a为本发明的第二空气孔为圆形时的光纤端面结构示意图，是实施例1给出的结构；图9b为在图9a基础上经侧面抛磨而形成的第二空气孔为扇形时的D型光纤端面结构示意图，要求光纤的抛光深度分别为h＝3μm或h＝4μm，这是实施例2所采用的光纤结构。
下面结合图2b简单介绍一下图9b型光纤传感器的制备方法。具体地：首先利用堆砌法将光纤预制棒排布成五角形结构，然后拉制成图9a所示的第二空气孔为圆形的光子晶体光纤。而后在拉制好的光纤上进行侧面抛磨等再加工操作，制备获得符合要求的具有确定抛光深度的D型光子晶体光纤。金纳米线的填充可采用现有技术，比如首先将金纳米线与待测溶液混合并形成稳定的胶体溶液，然后借助毛细作用力或高压气泵作用，将胶体溶液填充到呈扇形结构排布的第二空气孔中，在重力作用下金纳米线将沉积到第二空气孔的底部，此时就制备完成了光纤传感器件。在进行具体的传感检测时，只需将待测分析物溶液完全填充到D型光纤抛光面及第二空气孔的扇形区域内，即可进行具体的传感检测工作，具体检测方案同实施例1所述。
图10a和图10b分别显示了光纤抛磨前后的x偏振和y偏振模式的损耗与波长关系。图中显示，在分析物折射率分别为1.32,1.34,1.36和1.38时，当传感器采用图9a的结构，和采用图9b的在不同抛光深度下的D形光纤的结构时，它们的损耗峰虽然都具有不同的绝对强度值，但损耗峰所对应的波长值在两种结构下却都未发生改变，这说明抛光深度的变化并没有改变原五角形光纤传感器的灵敏度。
从传感灵敏度的角度来看，可以得出结论，抛光前后的光纤传感器用于待测液折射率的检测范围一致，均具有相同的高灵敏度，它们都可以对待测液体实现宽折射率检测范围的高灵敏探测。
与实施例1相比，本实施例虽然在制备工艺上多了侧面抛磨的步骤，但D型光纤在待测液体填充上将更加具有便利性。
两个实施例都可对折射率范围在1.32到1.38的分析物实现良好的传感特性，并且都适用于基于光纤的生物传感及系统集成应用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
①面对相同的折射率检测需求，本发明提供了传感灵敏度完全相同、但结构却不相同的两种光子晶体光纤传感器，并且第二种传感器是在第一种传感器的结构参数保持不变的基础上由第一种传感器通过侧面抛光加工获得。本发明在实施操作上，能够在保证高灵敏度、高分辨率的前提下，针对不同的实验条件灵活选取不同的实施案例。即，该传感器即可以选择空气孔呈五角形排布，且第二空气孔为圆形的，不需要抛磨的圆形光子晶体光纤结构；又可以选择空气孔呈五角形排布，并需要对光纤进行侧面抛磨，形成对应一定抛光深度的、第二空气孔为扇形结构的D型光子晶体光纤结构。
②本发明光纤设计结构简单，传感器容易制备。对第二空气孔为圆形结构的光子晶体光纤传感器可方便采用现有的堆积-拉伸法、激光钻孔法等方式来制备，对D型光子晶体光纤传感器则可以在圆形光子晶体光纤的基础上通过侧面抛磨和微加工技术来轻松实现制备。
③本发明光纤结合表面等离子体共振效应，可实现折射率1.32-1.38的变化范围传感检测，表现为在折射率1.37-1.38内实现12000nm/RIU的最高灵敏度，传感器分辨率达到8.33×10-6RIU，适用于各类生物、化学、医药等高精度传感应用。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种五角形排布的光子晶体光纤传感器，其特征在于：其包括基底材料、包层空气孔、金纳米线及待测液体；
所述包层空气孔包括外层空气孔以及内层空气孔，所述内层空气孔用于限制光束在纤芯内进行传输，所述外层空气孔用于改变包层的相对折射率并调节光纤的属性，所述外层空气孔包括四个第一空气孔以及一个第二空气孔，所述内层空气孔包括五个第三空气孔，所述第一空气孔与所述第二空气孔的直径相等，所述第一空气孔和第二空气孔的直径大于所述第三空气孔的直径；
所述内层空气孔的五个第三空气孔形成第一五角形结构，所述外层空气孔的四个第一空气孔以及一个第二空气孔共同形成第二五角形结构；
所述第二空气孔内部填充有待测液体，所述第二空气孔的内壁最下方固定所述金纳米线，所述金纳米线的配置用于作为表面等离子体共振的诱导材料；
所述第一五角形结构的顶点、所述第二五角形结构的边线的中点以及光纤的圆心位于同一条直线上；
所述第三空气孔的直径d1为1.2μm，所述第三空气孔的圆心到光纤圆心的距离r1为1.7μm；
所述第一空气孔以及第二空气孔的直径d2为2.4μm，所述第一空气孔以及第二空气孔的圆心到光纤圆心的距离r2为3.5μm。
2.根据权利要求1所述的五角形排布的光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述光纤的基底材料为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的五角形排布的光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述金纳米线的直径dg为0.4μm。
4.根据权利要求1所述的五角形排布的光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述待测液体的折射率范围为1.32～1.38。
5.根据权利要求1所述的五角形排布的光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述第一空气孔和第三空气孔为圆形，所述第二空气孔为圆形或扇形，所述金纳米线为圆形，当所述第二空气孔为扇形时，其圆弧长度大于零且小于第一空气孔周长。
6.根据权利要求5所述的五角形排布的光子晶体光纤传感器，其特征在于：当第二空气孔为扇形时，所述第二空气孔的扇形结构通过对光纤的侧面进行抛磨形成，抛磨后形成的抛光面平行于距离第二空气孔最近的两个第三空气孔的圆心连线；构成第二空气孔扇形结构的圆弧的两个端点所在的抛光面完全贯通整个光纤的包层以形成抛光面上除扇形结构外的其他区域平整的D型光子晶体光纤传感器，待测液体填充第二空气孔的扇形区域以及光纤的整个抛光面。
7.根据权利要求6所述的五角形排布的光子晶体光纤传感器，其特征在于：五个第三空气孔围成的五角形结构的几何中心到所述抛光面之间的最短距离为3μm或4μm。
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