CN109752345A - 一种基于负曲率光子晶体光纤的spr低折射率传感器 - Google Patents

一种基于负曲率光子晶体光纤的spr低折射率传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN109752345A
CN109752345A CN201910057172.5A CN201910057172A CN109752345A CN 109752345 A CN109752345 A CN 109752345A CN 201910057172 A CN201910057172 A CN 201910057172A CN 109752345 A CN109752345 A CN 109752345A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photonic crystal
crystal fiber
spr
metal
low
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910057172.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109752345B (zh
Inventor
裴丽
王建帅
王吉
吴良英
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Jiaotong University
Original Assignee
Beijing Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Jiaotong University filed Critical Beijing Jiaotong University
Priority to CN201910057172.5A priority Critical patent/CN109752345B/zh
Publication of CN109752345A publication Critical patent/CN109752345A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109752345B publication Critical patent/CN109752345B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器，其特征在于：SPR传感器基于光子晶体光纤结构，光子晶体光纤基底为(1)，光子晶体光纤的芯子(2)由两层空气壁(3)、(4)围绕形成，每层空气壁由六个相同负曲率的扇形环构成，光子晶体光纤的包层外壁涂覆有金属(5)，金属由待测物质(6)包覆，金属材料具有金属表面等离子体谐振SPR效应，与光纤中的纤芯模式发生耦合，在谐振波长处出现损耗峰，当外部待测物质(6)发生变化时，损耗峰波长漂移，通过观测波长的漂移，实现折射率的测量，传感器具有偏振无关特性且适用于低折射率范围为1.2‑1.33，传感器灵敏度最高达到12000nm/RIU，该传感器为低折射率物质的测量与监测提供重要的器件支持。

Description

一种基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器
技术领域
本发明涉及了一种基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器，属于特种光纤、光纤传感、信号处理领域。
背景技术
随着大数据、5G以及物联网的发展，“万物互联”的概念被提出，其将为生产发展、日常生活提供极大便利，成为未来通信发展的必然趋势。“万物互联”的实现离不开对物体智能监测的传感技术。光纤传感器由于具有体积小、抗电磁干扰、结构多样等优势，成为传感器领域的重要一员，已广泛应用于军事制造、生物化学、环境监测等领域。
光纤传感器结构多种多样，其结构包括：光纤光栅、锥形光纤、F-P腔、无芯光纤等。然而，以上所述光纤传感器，结构相对稳定，灵敏度受到限制。为提高传感器的灵敏度，研究者们在各种光纤结构的表面涂覆金属。光纤涂覆金属后，发生表面等离子体谐振SPR效应。在光纤与金属的表面出现金属表面等离子体偏振SPP模式。SPP模式与光纤芯子中模式发生耦合，在谐振波长处，出现损耗峰。当外界环境发生变化时，损耗峰波长发生漂移，通过观测损耗峰的波长变化，实现折射率的监测。由于金属直接接触待测物质，因此，基于SPR效应的传感器，灵敏度大大增加。但光纤光栅、锥形光纤等相对稳定的结构与较低的设计自由度，限制了基于SPR效应传感器的进一步发展与应用。
光子晶体光纤由基底和周期排列的空气孔组成，空气孔的间距、大小和排布方式灵活可调。基于光子晶体光纤的SPR传感器具有高灵敏度、设计自由度高、谐振波长范围可调等优势，成为光纤传感器的优良器件之一。
基于光子晶体光纤的SPR传感器主要分为两种：一种是将金属涂覆在光子晶体光纤空气孔的内壁上，并在涂覆有金属的空气孔内部填充液体，实现对液体折射率的测量。然而，一旦折射率被填充入空气孔内部，很难对空气孔内部的液体进行更换，较难实现不同液体折射率的测量；另外一种是将金属涂覆在光纤包层的外表面，在金属的外部包覆待测物质，实现传感。外涂覆结构，无需进行液体填充等复杂操作，成为未来基于光子晶体光纤SPR传感器发展趋势。目前基于光子晶体光纤外涂覆结构的SPR传感器，层出不穷。但是，不同结构的空气孔在同一包层中，加大了器件的制作难度，此外，大多传感器测量折射率的范围为1.33-1.60范围，针对低折射率范围1.2-1.33的测量相对较少，且灵敏度较低。
发明内容
本发明所要解决的问题是，克服低折射率范围内，传感器灵敏度较低的问题。提供一种基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器结构。
本发明的技术方案：
一种基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器，包括：光子晶体光纤、金属材料和外界待测物质；具体结构为：SPR传感器基于负曲率光子晶体光纤结构，光子晶体光纤的芯子由两层空气壁围绕形成，每层空气壁由六个相同负曲率的扇形环构成，光子晶体光纤的包层外壁涂覆有金属，金属外部由待测物质包覆，金属材料具有金属表面等离子体谐振SPR效应，当与光纤中的纤芯模式发生耦合时，在谐振波长处出现损耗峰，当外部待测物质发生变化时，损耗峰波长漂移，通过观测波长的漂移，实现折射率的测量，针对折射率范围为1.2-1.33，传感器灵敏度较高。
本发明的有益效果具体如下：
本结构主要利用光纤中模式与SPP模式的耦合效应，实现金属外部物质的折射率测量。该传感器可实现较低折射率范围1.20-1.33的测量，其性能与偏振态无关且灵敏度高、器件结构简单、易制作。
附图说明
图1为基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器横截面图。
图2为传感器两个偏振态的有效折射率和损耗曲线示意图。
图3为传感器在低折射率范围内的损耗曲线示意图。
图4为传感器的谐振波长随外界折射率的变化曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图1至4对一种基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器作进一步描述。
实施例一
基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器的横截面示意图如图1所示。具体结构为：光子晶体光纤基底为1，光子晶体光纤的芯子2由两层空气壁3、4围绕形成，每层空气壁由六个相同负曲率的扇形环构成，光子晶体光纤的包层外壁涂覆有金属5，金属外部由待测物质6包覆。
当外界折射率为1.33时，传感器中的两个偏振态X和Y的有效折射率和损耗如图2所示。X、Y偏振态的有效折射率分别为7、8；X、Y偏振态的损耗分别为9、10，两个偏振态性能完全一致，该传感器偏振无关。
实施例二
基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器的横截面示意图如图1所示。具体结构为：光子晶体光纤基底为1，光子晶体光纤的芯子2由两层空气壁3、4围绕形成，每层空气壁由六个相同负曲率的扇形环构成，光子晶体光纤的包层外壁涂覆有金属5，金属外部由待测物质6包覆。
本实施案例中，不同折射率下，传感器的损耗曲线示意图如图3所示，外界折射率分别为1.2、1.23、1.26、1.29、1.32时，对应图3中的11-15。
实施例三
基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器的横截面示意图如图1所示。具体结构为：光子晶体光纤基底为1，光子晶体光纤的芯子2由两层空气壁3、4围绕形成，每层空气壁由六个相同负曲率的扇形环构成，光子晶体光纤的包层外壁涂覆有金属5，金属外部由待测物质6包覆。
本实施案例中，当外界折射率分别在1.2-1.33低折射率范围内时，传感器的谐振波长随外界折射率的变化如图4所示。折射率变化为1.32-1.33时，传感器灵敏度为12000nm/RIU。

Claims (3)

1.一种基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器，其特征在于：SPR传感器基于负曲率光子晶体光纤结构，光子晶体光纤基底为(1)，光子晶体光纤的芯子(2)由两层空气壁(3)、(4)围绕形成，每层空气壁由六个相同负曲率的扇形环构成，光子晶体光纤的包层外壁涂覆有金属(5)，金属外部由待测物质(6)包覆，金属材料具有金属表面等离子体谐振SPR效应，当与光纤中的纤芯模式发生耦合时，在谐振波长处出现损耗峰，当外部待测物质(6)发生变化时，损耗峰波长漂移，通过观测波长的漂移，实现折射率的测量，传感器主要针对折射率测量范围为1.2-1.33，传感器灵敏度最高可达12000nm/RIU。
2.根据权利要求1所述的一种基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器，其特征在于：空气壁(3)、(4)中的扇形环的厚度、距离、角度可以调节。
3.根据权利要求1所述的一种基于负曲率光子晶体光纤的SPR低折射率传感器，其特征在于：光子晶体光纤包层外壁涂覆的金属(5)材料可变，包括：金、银、ITO、氧化铝。
CN201910057172.5A 2019-01-22 2019-01-22 一种基于负曲率光子晶体光纤的spr低折射率传感器 Active CN109752345B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910057172.5A CN109752345B (zh) 2019-01-22 2019-01-22 一种基于负曲率光子晶体光纤的spr低折射率传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910057172.5A CN109752345B (zh) 2019-01-22 2019-01-22 一种基于负曲率光子晶体光纤的spr低折射率传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109752345A true CN109752345A (zh) 2019-05-14
CN109752345B CN109752345B (zh) 2021-05-11

Family

ID=66406126

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910057172.5A Active CN109752345B (zh) 2019-01-22 2019-01-22 一种基于负曲率光子晶体光纤的spr低折射率传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109752345B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111307763A (zh) * 2020-04-29 2020-06-19 东北石油大学 中空双芯内外薄包层表面双侧镀膜pcf-spr探针

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102590930A (zh) * 2012-02-28 2012-07-18 天津理工大学 一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤
CN106154402A (zh) * 2016-07-04 2016-11-23 北京航空航天大学 一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤
CN106996920A (zh) * 2017-04-19 2017-08-01 东北石油大学 一种工作在中红外波段的低折射率pcf‑spr传感器
CN107121410A (zh) * 2017-05-04 2017-09-01 南昌航空大学 基于d型光纤spr折射率传感模型
CN107976421A (zh) * 2017-11-10 2018-05-01 东北石油大学 工作在高折射率溶液环境下的双对称pcf-spr探针

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102590930A (zh) * 2012-02-28 2012-07-18 天津理工大学 一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤
CN106154402A (zh) * 2016-07-04 2016-11-23 北京航空航天大学 一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤
CN106996920A (zh) * 2017-04-19 2017-08-01 东北石油大学 一种工作在中红外波段的低折射率pcf‑spr传感器
CN107121410A (zh) * 2017-05-04 2017-09-01 南昌航空大学 基于d型光纤spr折射率传感模型
CN107976421A (zh) * 2017-11-10 2018-05-01 东北石油大学 工作在高折射率溶液环境下的双对称pcf-spr探针

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111307763A (zh) * 2020-04-29 2020-06-19 东北石油大学 中空双芯内外薄包层表面双侧镀膜pcf-spr探针

Also Published As

Publication number Publication date
CN109752345B (zh) 2021-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105974515B (zh) 一种填充金线的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器
Rifat et al. Highly sensitive D-shaped photonic crystal fiber-based plasmonic biosensor in visible to near-IR
Zhao et al. Theoretical analysis of all-solid D-type photonic crystal fiber based plasmonic sensor for refractive index and temperature sensing
An et al. Extra-broad photonic crystal fiber refractive index sensor based on surface plasmon resonance
CN107860492B (zh) 一种基于spr的光子晶体光纤温度传感器
CN105651738A (zh) 一种螺旋芯光纤spr传感器
Luan et al. Surface plasmon resonance sensor based on exposed-core microstructured optical fiber placed with a silver wire
CN102590148A (zh) 一种易于实现相位匹配的光子晶体光纤spr传感模型
Zhu et al. Optical fiber SPR magnetic field sensor based on photonic crystal fiber with the magnetic fluid as cladding
Akowuah et al. A novel compact photonic crystal fibre surface plasmon resonance biosensor for an aqueous environment
CN109405858A (zh) 一种新型d型微结构光纤传感器及其制备方法
CN112268873A (zh) 一种基于双芯双侧抛型pcf-spr传感器
CN110068893B (zh) 一种含局部中间折射率包层的双直波导微环结构
CN109752345A (zh) 一种基于负曲率光子晶体光纤的spr低折射率传感器
CN109596573A (zh) 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
CN111175249B (zh) 用于低折射率检测的近红外串联pcf-spr传感器
CN111307763B (zh) 中空双芯内外薄包层表面双侧镀膜pcf-spr探针
CN112432924B (zh) 基于spr的方孔光子晶体光纤折射率传感装置
CN109541502A (zh) 一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器及其制备与检测方法
CN110926666B (zh) 一种基于表面等离子激元晶格共振的压力传感器件
CN110308115A (zh) 一种干涉型光纤spr传感器
CN111366081A (zh) 基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器
CN210719242U (zh) 一种用于测量海水温盐深的光纤传感器
CN204789621U (zh) 一种双圆柱形mim表面等离子波导结构的加速度传感装置
Yasli et al. Photonic crystal fiber based surface plasmon sensor design and analyze with elliptical air holes

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant