CN110441258A - 基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，包括光子晶体光纤，光子晶体光纤的一端与单模光纤连接，另一端上镀有反射层，光子晶体光纤镀有反射层的一端与待测样品接触；光子晶体光纤的外表面上镀有金属薄膜层；光子晶体光纤内设有若干空气孔，空气孔贯穿所述光子晶体光纤的两端面；空气孔在光子晶体光纤内呈正六边形周期排列，由光子晶体光纤的中心向外多层设置，中心水平方向上的空气孔孔径小于其他空气孔孔径。利用在PCF的外表面上镀金属薄膜银，利用SPR效应作为折射率传感机制，并通过减小中心水平方向上的气孔直径可保证该镀膜方式的传感器的性能。在PCF的外表面上镀金属薄膜银，也降低了制作工艺的难度。

Description

基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器。
背景技术
光学折射率传感器是光学、电磁学和微电子学等多个学科交叉结合的产物，目前在生化物理、分子检测、医药开发、食品安全以及环境监测等多个领域得到广泛的应用，通过测量待测物的折射率可以间接实现包括样品成份、浓度和生物分子相互作用及动态变化过程等多种信息的检测；而光子晶体光纤在结构制造上具有可控性、传感设计上具有多样性和灵活性，因此基于光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)的传感器具有一定良好的性能。
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种存在于金属和电介质界面的物理光学现象：入射到金属-电介质界面的满足特定条件的电磁波将与金属表面自由振动电子与光子耦合形成的表面等离子波(surface plasmon wave，SPW)发生共振耦合，从而电磁波能量被强烈吸收。
基于PCF的SPR传感器通过灵活的结构设计来实现纤芯导模和激发的SPW模式的波矢匹配条件，采用PCF的纤芯作为光能量的传输载体，可采用金属薄膜镀层包覆在PCF包层的气孔内或包层外层用来激发SPR。金属膜银镀在孔内的传感器可分为D型PCF-SPR传感器、开槽PCF-SPR传感器等。上述传感器类型虽然具有较高的灵敏度，但是都需要将金属薄膜镀在空气孔内，制作工艺上具有一定的困难。而将金属膜镀在PCF包层外层的D型PCF-SPR传感器则需要将PCF的一侧进行抛光打磨，这对工艺也有一定要求，且传感器灵敏度也有待提高。
发明内容
本发明提供了一种基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，解决了折射率传感器存在的制作工艺难度高、灵敏度不高的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，其特征在于，包括光子晶体光纤与单模光纤组成的传感探针，传感探针置于待测样品中，光子晶体光纤的一端与单模光纤连接，另一端上镀有反射层，光子晶体光纤镀有反射层的一端与待测样品接触；；所述光子晶体光纤的外表面上镀有金属薄膜层；所述光子晶体光纤内设有若干空气孔，空气孔贯穿所述光子晶体光纤的两端面；所述空气孔在所述光子晶体光纤内呈正六边形周期排列，由所述光子晶体光纤的中心向外多层设置，中心水平方向上的空气孔孔径小于其他空气孔孔径。
进一步地，所述光子晶体光纤的一端与所述单模光纤通过锥形熔接。
进一步地，所述金属薄膜层为镀膜银。
进一步地，所述镀膜银的厚度为30.0nm～50.0nm。起到了使倏逝波能够穿透镀膜银到达待测液体界面处，倏逝波与表面等离子体波的相互作用，激发倏逝场能量、形成表面等离子体模式的作用。
进一步地，所述光子晶体光纤的基底材料为石英。在实际应用中SiO2具有更加稳定的物理性质。
进一步地，所述反射层为金属层。
进一步地，所述待测液体的折射率为1.39～1.42。满足绝大多数低折射率物质检测范围。
进一步地，所述中心水平方向上的空气孔孔径范围为0.4～0.6μm。
进一步地，所述空气孔层数为3层。
本发明所达到的有益效果：
(1)光子晶体光纤的一端与单模光纤进行锥形熔接，另一端镀有反射层，光子晶体光纤的外表面上镀有金属薄膜层，形成折射率传感探针，金属薄膜层镀在光子晶体光纤的外表面上降低了工艺难度，既解决了孔内镀膜的困难，又不需要如D型PCF-SPR传感器一般进行抛光打磨。
(2)空气孔在所述光子晶体光纤内呈正六边形周期排列，金属薄膜层作为SPR的传感通道来检测液体的折射率，达到方便快捷的目的。
(3)中心水平方向上的空气孔孔径小于其他空气孔孔径，将中心水平方向上的空气孔作为能量泄露通道，从而实现纤芯模式与表面等离子体模式的能量交换，减小中心水平方向上的气孔直径，相应地提高了该镀膜方式的传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明光子晶体光纤的结构示意图；
图2为本发明测量示意图；
图3为本发明镀膜银表面等离子共振损耗曲线图；
图4为本发明待测液体折射率随共振波长变化曲线图，即灵敏度曲线。
图中：1-带宽光源；2-单模光纤；3-环形分束器；4-光谱仪；5-光子晶体光纤；6-反射层；7-待测样品；8-空气孔；9-基底材料；10-金属薄膜层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，包括光子晶体光纤5与单模光纤2组成的传感探针，传感探针置于待测样品7中。光子晶体光纤5的一端与单模光2纤通过锥形熔接，另一端上镀有反射层6，光子晶体光纤5镀有反射层6的一端与待测样品7接触。本实施例中，反射层6优选为金属层。待测液体7的折射率为1.39～1.42，光子晶体光纤5直接接触待测液体7，形成探针式传感结构，在1.39-1.42折射率范围内可达到104nm/RIU的灵敏度。
如图1所示，光子晶体光纤5的外表面上镀有金属薄膜层10，光子晶体光纤5内设有若干空气孔8，空气孔8贯穿光子晶体光纤5的两端面。空气孔8在光子晶体光纤5内呈正六边形周期排列，由光子晶体光纤5的中心向外多层设置，中心水平方向上的空气孔8孔径小于其他空气孔8孔径。中心水平方向上的空气孔8孔径范围为0.4～0.6μm。金属薄膜层10为镀膜银，镀膜银的厚度为30.0nm～50.0nm，为了倏逝波能够穿透金属薄膜银到达待测液体界面处，银膜厚度不能过厚。若银膜过厚，倏逝波与表面等离子体波的相互作用减弱；若银膜过薄，激发的倏逝场能量会很弱，不利于表面等离子体模式的形成，所以金属薄膜厚度一般在30.0～50.0nm左右。光子晶体光纤5的基底材料9为石英。本实施例中，空气孔8由光子晶体光纤5的中心向外设置3层。
光子晶体光纤5由于自身结构的独特性，可在其空气孔5中填充特定介质，利用介质有效折射率随外界生物、物理场的微小改变，从而改变光在纤芯中的传输特性，实现不同传感功能；也可以通过在光子晶体光纤5外表面上镀金属薄膜层10，将金属薄膜层10作为SPR的传感通道来检测液体的折射率，达到方便快捷的目的。本发明利用光子晶体光纤5外表面上镀银，即表面等离子体共振效应的探针式折射率传感机制来实现待测液体的折射率高灵敏测量。既解决了空气孔内镀膜的困难，又不需要如D型PCF-SPR传感器一般进行抛光打磨；并且本发明形成一个传感探头，大大提高了检测的方便与快捷。通过优化光子晶体光纤的镀膜厚度、水平气孔孔径大小，使得PCF折射率传感器具有更高的灵敏度。
基底层材料9为石英SiO2，在实际应用中SiO2具有更加稳定的物理性质。光子晶体光纤5内的空气孔8层数为三层，呈正六边形周期排列，结构的晶格周期Λ设置为4μm；同时中心水平方向上的空气孔8孔径减小作为能量泄露通道，从而实现纤芯模式与表面等离子体模式的能量交换。
测量时，如图2所示，宽带光源1由与其连接的单模光纤输入后到达环形分束器3，部分光线经环形分束器3的第一端口输出，输出光经单模光纤2到达光子晶体光纤5，传输光谱通过反射层6反射，反射光谱再依次通过光子晶体光纤5、单模光纤2至环形分束器3，从环形分束器3的第二端口输出并传输到光谱仪4中。利用SPR效应作为折射率传感机制，在不同折射率下，便会出现不同的损耗峰。在光谱仪4的输出谱中观察损耗峰，测量不同损耗峰的位移便可以测出相应折射率的变化。
实例一：
使用COMSOL Multiphysics仿真软件建立光子晶体光纤几何模型并进行数值模拟和模式分析，记录不同波长下纤芯模式和表面等离子体模式的有效折射率neff，二者的有效折射率曲线以及纤芯模的虚部Im(neff)表征的损耗特性图如图3所示，此时待测折射率设定为1.413，在输出谱中产生一个共振损耗峰W1。
实例二：
改变待测样品的折射率，利用图3所示的判断方法，得到不同折射率下纤芯模的损耗曲线，读取峰值波长。经过仿真计算，得出了一系列不同折射率下对应的共振波长数据，根据得出的数据，利用Origin画图软件可以绘制波长-折射率曲线，本发明能够实现1.39-1.42范围下的折射率传感，经过数据拟合后，曲线如图4所示。从图中可以看出，共振波长同样随着待测液体折射率的增加，即成正比例关系。根据灵敏度计算公式，S＝θλ/θn可以计算求得该折射率传感结构的灵敏度为10315nm/RIU。在实际进行折射率测量时，只需将传感探头放置在待测液体中，然后观察输出谱峰值位置，就可以利用上述曲线得到对应的折射率。
综上所述，本发明是利用在光子晶体光纤的外表面上镀银膜，利用表面等离子体共振效应作为折射率传感机制，并形成一个传感探针，能够直接放置在待测液体中；在输出光谱中产生共振损耗峰，实现折射率传感，满足了实际运用中对折射率传感器的需求。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，其特征在于，包括光子晶体光纤与单模光纤组成的传感探针，传感探针置于待测样品中，光子晶体光纤的一端与单模光纤连接，另一端上镀有反射层，光子晶体光纤镀有反射层的一端与待测样品接触；
所述光子晶体光纤的外表面上镀有金属薄膜层；
所述光子晶体光纤内设有若干空气孔，空气孔贯穿所述光子晶体光纤的两端面；
所述空气孔在所述光子晶体光纤内呈正六边形周期排列，由所述光子晶体光纤的中心向外多层设置，中心水平方向上的空气孔孔径小于其他空气孔孔径。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，其特征在于，所述光子晶体光纤的一端与所述单模光纤通过锥形熔接。
3.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，其特征在于，所述金属薄膜层为镀膜银。
4.根据权利要求3所述的基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，其特征在于，所述镀膜银的厚度为30.0nm~50.0nm。
5.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，其特征在于，所述光子晶体光纤的基底材料为石英。
6.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，其特征在于，所述反射层为金属层。
7.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，其特征在于，所述待测液体的折射率为1.39~1.42。
8.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，其特征在于，所述中心水平方向上的空气孔孔径范围为0.4~0.6μm。
9.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，其特征在于，所述空气孔层数为3层。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110865052A (zh) * 2019-11-29 2020-03-06 中国人民大学 一种全光纤表面等离子体共振传感分析仪
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
CN113466177A (zh) * 2021-08-24 2021-10-01 东北石油大学 大范围多功能检测气液物质的折射率型mof-spr探针

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102289032A (zh) * 2011-09-23 2011-12-21 江苏大学 一种太赫兹光子晶体光纤耦合器
CN206609788U (zh) * 2017-04-20 2017-11-03 东北石油大学 基于光子晶体光纤的原油含水率检测装置
CN107607217A (zh) * 2017-08-22 2018-01-19 哈尔滨工程大学 基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置及测量方法
CN109655430A (zh) * 2019-02-21 2019-04-19 南京邮电大学 一种基于spr效应的螺旋微结构光纤折射率传感器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102289032A (zh) * 2011-09-23 2011-12-21 江苏大学 一种太赫兹光子晶体光纤耦合器
CN206609788U (zh) * 2017-04-20 2017-11-03 东北石油大学 基于光子晶体光纤的原油含水率检测装置
CN107607217A (zh) * 2017-08-22 2018-01-19 哈尔滨工程大学 基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置及测量方法
CN109655430A (zh) * 2019-02-21 2019-04-19 南京邮电大学 一种基于spr效应的螺旋微结构光纤折射率传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
崔德裕: "基于表面等离子体的光子晶体光纤传感器研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（硕士） 信息科技辑》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110865052A (zh) * 2019-11-29 2020-03-06 中国人民大学 一种全光纤表面等离子体共振传感分析仪
CN110865052B (zh) * 2019-11-29 2023-10-24 中国人民大学 一种全光纤表面等离子体共振传感分析仪
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
CN111307763B (zh) * 2020-04-29 2023-02-24 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
CN113466177A (zh) * 2021-08-24 2021-10-01 东北石油大学 大范围多功能检测气液物质的折射率型mof-spr探针

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