CN110441261B - 一种双通道同步检测的光子晶体光纤传感器 - Google Patents

一种双通道同步检测的光子晶体光纤传感器 Download PDF

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Abstract

一种双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，包括基底、空气孔、两个D型微流体通道、金纳米薄膜以及氟化钡介质层薄膜。围绕基底中心布设空气孔，缺少的中心空气孔部分构成纤芯，在空气孔上部的基底上设置有上D型微流体通道A，在空气孔下部的基底上设置下D型微流体通道B，与空气孔对应的上D型微流体通道和下D型微流体通道平面侧均镀设金纳米薄膜，下D型微流体通道B的金纳米薄膜与微流体间还镀设有氟化钡介质层薄膜。有效解决检测效率低，微流体填充困难问题，实现两种微流体同步检测。

Description

一种双通道同步检测的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双通道光子晶体光纤传感技术领域。
背景技术
传感技术作为信息技术的三大支柱之一，提高了生产效率和检测精确度。光子晶体光纤传感器因其自身独特的优势而具有远程实时检测，体积小，易于集成化，灵敏度高，设计灵活等特点，吸引着优秀的科研人员投入了很多精力和资源对其进行研究。将光子晶体光纤的微结构设计与表面等离子体共振的高灵敏度技术相结合，具有实时监测、无需标记、干扰小的优点。光子晶体光纤替代普通光纤用作传感器可以解决相位匹配问题。在对光子晶体光纤传感原理的探究中，帅彬彬等人研究了六芯光子晶体光纤传感器的传感表现，用耦合公式解释了多芯光纤传感器的原理，提高了传感器的动态检测范围。栾楠楠等人基于D形结构的光子晶体光纤传感器，研究了定向耦合原理，选择纤芯同一轴线处的第二层空气孔之一填充温敏介质，通过控制入射偏振光的方向实现对分析物折射率和温度的检测。
目前采用不同光子晶体光纤结构调整偏振光方向实现折射率和温度的检测已见诸于文献报道，本质上讲这些传感器都属于分时复用类型的传感器，但是在多物理量或者多折射率的检测需求中，操作难度较高。这是因为基于表面等离子体共振原理和耦合原理的传感器的入射偏振光方向相互正交，同一时刻只能实现对一个物理量的检测。此外，在制造过程中需要在光子晶体光纤的空气孔内预先封装特定的液体物质。这一过程需要将部分端面用紫外胶填充，然后固化，再采用毛细效应将待测物质填充到其他空气孔。这些繁琐的过程不利于光子晶体光纤传感器推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，有效解决检测效率低，微流体填充困难问题，实现两种微流体同步检测。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，包括基底、空气孔、两个D型微流体通道、金纳米薄膜以及氟化钡介质层薄膜。围绕基底中心布设空气孔，缺少的中心空气孔部分构成纤芯，在空气孔上部的基底上设置有上D型微流体通道A，在空气孔下部的基底上设置下D型微流体通道B，与空气孔对应的上D型微流体通道和下D型微流体通道平面侧均镀设金纳米薄膜，下D型微流体通道B的金纳米薄膜与微流体间还镀设有氟化钡介质层薄膜。
上述双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，所述空气孔均匀环绕在基底中心周围，且空气孔呈六角形排列。
上述双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，空气孔的半径为0.6μm，相邻空气孔间距2μm。
上述双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，上D型微流体通道A和下D型微流体通道B的通道半径均为8μm，与纤芯中心垂直距离为3μm。
上述双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，所述金纳米薄膜的厚度为40nm。
上述双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，所述氟化钡介质层薄膜的厚度为30nm。
相对于现有技术，有以下优点：
（1）针对常规光子晶体光纤传感器对多种分析物检测时操作繁琐，重复操作等问题，利用双通道光子晶体光纤传感器的结构优势，结合表面等离子体共振的高灵敏度传感技术，能够实现两种分析物折射率同步检测，突破传统光子晶体光纤传感器分时复用的限制，减少对分析物排空、填充与多次清洗的步骤，节约了人力成本和时间成本，实现高灵敏度传感检测，对分析物折射率检测的传感性能提升和探测范围的扩展具有重要作用。
（2）双通道中，在其中一侧通道的金纳米薄膜与微流体间铺设氟化钡介质层薄膜，由于氟化钡折射率约为1.40，低于石英，能够提高该通道微流体有效折射率使相位匹配点红移，增强不同通道微流体折射率的鉴别能力。
（3）将光子晶体光纤沿D型微流体通道平面侧进行平抛后，在镀膜过程中，由于采用平面镀膜，可以显著提高金属纳米镀膜的精度和均匀度；在微流体检测过程中，可以将光子晶体光纤D型抛面直接浸入待测微流体，减少待测微流体填充、排空和多次清洗的步骤，检测过程简易可行、效率高。
附图说明
图1为双通道同步检测的光子晶体光纤传感器横截面示意图。
图2为na=1.33，nb=1.37时相位匹配图。
图3为微流体折射率变化光纤传感器损耗图。
图4为D型微流体通道的光子晶体光纤传感器。
具体实施方式
一种双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，如图1所示，包括纤芯1、金纳米薄膜2、空气孔3、基底4、D型微流体通道5、氟化钡介质层薄膜6。采用性能稳定的石英作为基底材料，折射率约为1.45，围绕基底中心布设空气孔，空气孔呈六角形排列，半径为0.6μm，相邻空气孔间距L1为2μm，缺少的中心空气孔部分构成纤芯1。在空气孔上部和下部的基底上均设置有D型微流体通道5，在空气孔上部的基底上是上D型微流体通道A，在空气孔下部的基底上是下D型微流体通道B，两个D型微流体通道半径R均为8μm，与光纤中心垂直距离L2为3μm。上D型微流体通道和下D型微流体通道平面侧均镀设金纳米薄膜2，金化学性质稳定，在确保表面等离子体激发的同时，抗氧化能力强。下D型微流体通道B通道中金纳米薄膜与下D型微流体通道B间铺设30nm氟化钡介质层薄膜6。由于氟化钡折射率约为1.40，低于石英，能够提高B孔微流体有效折射率，使表面等离子体模式（SPP）与芯导模式的相位匹配点红移，增强A、B孔微流体折射率的鉴别能力。为解决分析物填充困难问题，可沿D型微流体通道平面侧进行平抛，将光纤直接浸入液体分析物，实现实时传感检测。
当连续宽带光源入射到光子晶体光纤时，各种波长的光分别以某种模式在光纤中传播，而表面等离子体波则是某种特定的模式在金膜表面传播。当入射的某一波长的TM波与金膜的表面等离子波具有相同的波矢时，即达到了相位匹配，光纤芯导模式中的光能量转移到金属表面，即产生了表面等离子体共振，输出光谱在此波长处出现明显的能量损耗。表面等离子体共振对临近待测微流体折射率的变化非常敏感，当微流体折射率发生变化时，损耗谱中的共振波长和共振强度也会发生变化。通过观察该光子晶体光纤传感器损耗谱的变化情况，即可实现微流体的折射率检测，从而达到了传感的目的。当na=1.33，nb=1.37时，基模和A、B通道的表面等离子体模式的色散曲线及共振曲线如图2所示。从图2中可以看出，芯导模式的共振曲线具有两个明显的共振峰，共振波长分别为595nm和681nm，此时表面等离子体模式与芯导模式的色散曲线相交，达到相位匹配。因此，595nm和681nm 处的共振峰是芯导模式分别与A通道和B通道中的表面等离子体模式在相位匹配条件下发生共振形成的，且A、B两个通道，并不会产生相互干扰，具有很好的独立性，可以实现A、B双通道待测微流体同步检测。
以D型微流体通道A通道填充折射率为na=1.33的微流体作为参考通道进行分析。下D型微流体通道B通道填充待测微流体折射率nb不同时，损耗曲线如图3所示。从图中可以看出，上D型微流体通道A通道的共振波长保持在597nm，且并不受下D型微流体通道B通道的影响。下D型微流体通道B通道微流体折射率nb分别为1.33-1.40时，对应的共振波长分别为627nm、642nm、660nm、681nm、708nm、744nm、797nm和891nm。且两通道待测样品折射率差别越大，相应的共振波长间距越宽，即不同待测微流体的鉴别能力越强。下D型微流体通道B通道检测的折射率波长灵敏度最高可达9400nm/RIU，假设光谱仪分辨的最小单位为0.01nm，该状态下传感器的分辨率为1.06×10-6RIU。
目前，微小空气孔内金属纳米镀膜的精确性、均匀性以及微流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。为解决金属纳米镀膜和分析物填充困难的问题，可沿D型平面侧进行平抛。如图4所示（平抛A通道），将光纤直接浸入液体分析物，或将分析物滴加到光纤的D型抛面上。表面等离子体共振发生在金膜和微流体的交界面，平抛后金膜与介质表面位置保持不变，纤芯模式与表面等离子体模式耦合强度与平抛前无明显差别，因此沿D型平面平抛不影响共振波长，对共振峰强度影响也极小。所以，光子晶体光纤传感器制作过程中，可以先将双通道光子晶体光纤沿D型平面抛磨，再采用磁控溅射技术镀膜，减小了镀膜难度，避免了微流体填充。
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 (3)

1.一种双通道同步检测的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：围绕基底中心布设空气孔，基底中心缺少空气孔的部分构成纤芯，在空气孔上部的基底上设置有上D型微流体通道A，在空气孔下部的基底上设置下D型微流体通道B，与空气孔对应的上D型微流体通道和下D型微流体通道平面侧均镀设金纳米薄膜，下D型微流体通道B的金纳米薄膜与下D型微流体通道B间还镀设有氟化钡介质层薄膜；所述空气孔均匀环绕在基底中心周围，且空气孔呈六角形排列，所述双通道光子晶体光纤沿D型微流体通道平面抛磨，再采用磁控溅射技术镀膜；采用性能稳定的石英作为基底材料；所述空气孔的半径为0.6μm，相邻空气孔间距L1为2μm；所述上D型微流体通道A和下D型微流体通道B的通道半径R均为8μm，与纤芯中心垂直距离L2为3μm。
2.根据权利要求1所述的双通道同步检测的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。
3.根据权利要求1所述的双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述氟化钡介质层薄膜的厚度为30nm。
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