CN110596051A - 基于石墨烯包覆的双芯d型光子晶体光纤spr传感器 - Google Patents

基于石墨烯包覆的双芯d型光子晶体光纤spr传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR折射率传感器。所述光纤SPR传感器包括一具有平面壁和曲面侧壁的折射率引导型光子晶体光纤，所述折射率引导型光子晶体光纤留有左右相互对称的两个纤芯，横截面呈D形，在所述平面壁上具有传感层。本发明在D形光子晶体光纤表面，左右纤芯所对应的传感层分别为石墨烯包覆的金/银纳米柱。利用金/银纳米柱表面产生的等离子体共振对周围的介质环境十分敏感的特性，可以将金属表面临近物质的折射率的微小变化转换成可测量的吸收峰的位移，设计实现高灵敏度的光子晶体光纤SPR传感器。本发明的优点是：双芯结构的设计拓宽了该折射率传感器的检测范围。石墨烯包覆金/银纳米柱的设计既能明显提高传感器的灵敏度，又能有效防止银纳米柱的腐蚀及氧化。该传感器设计新颖，结构简单，体积小，检测范围宽，抗腐蚀能力强，灵敏度高，是一种实用的折射率传感器。

Description

基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器
技术领域
本发明涉及光纤SPR传感技术，特别是一种基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器。
背景技术
表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)是一种由P偏振光或横磁(transverse magnetic,TM)波引起，激发于金属与介质表面的电子集体振荡的光学现象。这种光学现象产生的电磁波被称为表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPPs)，并在一定条件下表现为倏逝波。SPR是在一定条件下，用全内反射(total internalreflection,TIR)倏逝波辐射金属表面时，表面等离子体波与金属表面耦合所产生。利用表面等离子体激元对周围介质折射率(refractive index,RI)的变化极为敏感的特性，SPR已成为化学、生物医学以及环境监测领域一项很有前途的传感技术。基于TIR机制，利用棱镜、光纤和光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)激发SPR的操作平台很多，1968年Kretschmann-Raether提出的棱镜结构存在传感器体积大的问题，1992年美国华盛顿大学的Jorgenson和Yee提出利用光纤作为载体实现基于Krestchmann棱镜结构的SPR效应，并于次年设计了光纤SPR传感器。虽然光纤代替棱镜具有小型化和遥感能力，但传统的光纤SPR传感器存在结构单一，灵敏度较低的缺点。
基于PCF的SPR传感器沿传播方向排列有规则的气孔，由于其结构设计的灵活性，近年来PCF-SPR传感器引起了科研人员的极大关注。2012年Tian M,Lu P,Chen L等设计了一种全固态D型PCF-SPR传感器，在折射率范围为1.33-1.38内，其波长灵敏度最高可达7300nm/RIU。2014年Tan Z,Li X,Chen Y等设计了一种液芯D型PCF-SPR传感器，在折射率范围为1.32-1.36内，其波长灵敏度最大为6430nm/RIU。2015年DF Santos等设计了一种微结构的D型PCF-SPR传感器，在折射率为1.36-1.39内，其最大波长灵敏度达到了10200nm/RIU。2019年Haiwei Fua和Min Zhang设计了一种石墨烯包覆银纳米柱的光纤传感器，石墨烯的应用有效解决了银易腐蚀和氧化的问题，该传感器在折射率范围为1.33-1.39范围内，最高灵敏度达到了8860.93nm/RIU。
基于前述工作，为解决传感器的金属膜易氧化，增长其使用寿命，以及拓宽检测范围，提高检测精度。本文设计了一种新型的石墨烯包覆金/银纳米柱的双芯D型PCF-SPR传感器，该传感器的结构在传统的D型PCF-SPR传感器上加以改进，在光子晶体光纤上预留了两个对称纤芯，并在这两个纤芯上表面分别涂覆有石墨烯包覆的金/银纳米柱，该设计不仅拓宽了检测的折射率范围，而且在一定检测范围内产生了明显的两个谐振峰，通过观察同时检测两个共振峰的移动实现对样品折射率的检测，以提高检测精度。该传感器设计新颖，结构简单，体积小，检测范围宽，抗腐蚀能力强，灵敏度高，是一种实用的折射率传感器。
发明内容
本发明主要是提供一种石墨烯涂覆的双芯D型光纤表面等离子体共振传感器。金/银纳米柱表面涂覆石墨烯层，既能明显提高传感器的灵敏度，又能有效防止银纳米柱的腐蚀及氧化。双芯结构的设计使得该传感器具有双谐振峰特性，不仅提高了检测精确度，还拓宽了该折射率传感器的检测范围。
本发明通过以下技术方案实现的：
一种石墨烯涂覆的双芯D型光纤表面等离子体共振传感器，采用纤芯包层结构，材料为聚乙烯，纤芯为对称的双实芯，光纤经侧抛光处理，形成侧面为D型的结构，在侧抛表面有对应于光纤的左右纤芯的石墨烯包覆的金/银纳米柱。所述的聚乙烯材料的折射率为1.4378，光子晶体光纤的直径D＝125μm，金/银纳米柱半径r＝25nm，柱间距离d为50nm，石墨烯为单层，厚度d1为0.34nm。
本发明的工作机理：
在所设计的光子晶体光纤SPR传感器的侧抛表面装入待测样品，由于金/银纳米柱表面产生的等离子体共振对周围的介质环境十分敏感，当待测样品的折射率发生变化时，损耗吸收峰的位置也会发生变化，因此可以将金/银纳米柱表面临近物质的折射率的微小变化转换成可测量的吸收峰的位移，从而达到传感的目的。
本发明的优点是：该双芯D型光子晶体光纤SPR传感器结构新颖，不需要内涂金属膜，容易实现。利用该模型所制成的光纤SPR传感器在折射率为1.32到1.41范围内能实现高灵敏度检测，最高检测灵敏度可达13100nm/RIU。在低折射率区间(n＝1.32～1.36)，该传感器具有明显的双谐振峰特性，可以利用该特性的传感结果进行相互弥补修正，进而减小误差，提高检测精确度。另外金/银纳米柱表面涂覆石墨烯层，既能明显提高传感器的灵敏度，又能有效防止银纳米柱的腐蚀及氧化。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明的截面图和传感器截面的局部放大示意图。
图3为本发明在低折射率区间(n＝1.32～1.36)损耗谱曲线图。
图4为本发明在高折射率区间(n＝1.37～1.41)损耗谱曲线图。
图5为本发明的金/银纳米柱的柱间距变化时的损耗谱曲线图。
图6为本发明的石墨烯层数变化时的损耗谱曲线图。
图中标号为：1、光子晶体光纤，2、分析物传感区，3、石墨烯包覆的金/银纳米柱，4、空气孔，5、纤芯1，6、纤芯2，7、金纳米柱，8、石墨烯，9、银纳米柱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
一种石墨烯涂覆的双芯D型光纤表面等离子体共振传感器，如图1所示，采用纤芯包层结构，材料是折射率为1.4378的聚乙烯，对光子晶体光纤侧抛光形成D型光纤，左右预留两个实心纤芯，包层(1)中设有三层呈正六边形排列的圆形空气孔(4)。在D型侧抛面上有对称分布的是石墨烯包覆的金/银纳米柱(3)，纳米柱半径r＝25nm，柱间间距d＝50nm，石墨烯为单层石墨烯，厚度d1＝0.34nm。在该模型的分析物传感区(2)中装入待测样品，本实施例中待测样品的折射率范围为n＝1.32～1.41。
采用波长调制法，波长的变化范围为500nm～800nm，利用基于全矢量有限元法(FEM)的COMSOL Multiphysics计算软件对上述所设计的实验模型进行数值仿真，在各向异性完美匹配层(PML)边界条件的配合下，求解模场的有效折射率，然后根据模场损耗公式计算出模场损耗，利用Origin软件绘出光纤的损耗谱。如图3所示，在低折射率区间(n＝1.32～1.36)可以看出光纤损耗谱具有两组损耗吸收峰，损耗吸收峰所在的位置，就表示该波长下发生了表面等离子体共振现象。我们在500nm～800nm这个波段范围内进行仿真，计算出该模型的灵敏度以及分辨率。可以看出随着待测样品折射率的增加，吸收峰发生红移，通过测量当折射率改变Δna时吸收峰的偏移量Δλpeak，利用公式Sλ(λ)＝Δλpeak/Δna(nm/RIU)，可以计算出传感器的灵敏度Sλ(λ)。当折射率na从1.32变化到1.33、1.34、1.35和1.36时，第一组损耗峰的峰值偏移量分别为20、21、25和30nm。灵敏度分别为2000、2100、2500和3000nm/RIU，平均灵敏度为2400nm/RIU。第二组损耗峰的峰值偏移量分别为15、18、22和28nm，对应灵敏度分别为1500、1800、2200和2800nm/RIU，平均灵敏度为2075nm/RIU。使用分辨率0.01nm的高精度光谱仪，测得两组损耗峰对应传感器的平均最小分辨率分别为4.21×10-6RIU和4.94×10-6RIU。
如图4所示，在高折射率区间(n＝1.37～1.41)波长的变化范围为700nm-1100nm，随着待测样品折射率的增加，吸收峰发生红移。同样通过测量当折射率改变Δna时吸收峰的偏移量Δλpeak计算灵敏度。当折射率na从1.37变化到1.38、1.39、1.40和1.41时，损耗峰的峰值偏移量分别为42、53、76和131nm。灵敏度分别为4200、5300、7600和13100nm/RIU，平均灵敏度为7550nm/RIU，平均最小分辨率为1.32×10-6RIU。可以看出用该模型制成的光子晶体光纤SPR传感器较现有的一般传感器测量范围宽大很多，分辨率提高了一个数量级。
为使得制造该光纤传感器时，能更加灵活的选择参数，应用于不同的使用环境以及检测范围，本发明对两个重要的参数进行研究，分别是纳米柱间间距d和石墨烯层数N。
如图5所示，取d的范围为30～70nm，其损耗谱曲线的两组损耗峰随d的增大同时发生蓝移，本发明取d＝50nm，为达到使用不同波长的光谱进行检测的目的，可根据以上规律做进一步选择。
如图6所示，研究了石墨烯厚度d1对该SPR传感器损耗谱的影响，由d1＝0.34×N(nm)，0.34nm为单层石墨烯的厚度，N为石墨烯层数，因此可以通过选取不同N值进行研究。当样品折射率na＝1.33，柱间宽度d＝50nm时，该光纤传感器的损耗谱曲线如图6，随N的增大，损耗谱曲线的两组损耗峰发生蓝移，且损耗峰峰值降低。本发明取N＝1，同样为平衡石墨烯镀层的成本等，可根据以上规律做出选择。
本发明的传感器结构在可见光和近红外频段内具有高品质因数高灵敏度的双透射峰特性，并且通过修改相关结构参数可以达到调整检测光谱和控制成本的目的，从而可以实现寿命长、检测范围广、检测精度高、小型化的光纤传感器。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (8)

1.基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器，如图1所示，包括光纤传感器本体，其特征在于：所述光纤传感器本体由光子晶体光纤(1)、分析物传感区(2)和石墨烯包覆的金/银纳米柱(3)组成；光子晶体光纤包层的直径D＝125um，侧抛面长度L＝1mm，金/银纳米柱的半径r＝25nm。
本发明的光纤传感器的二维结构如图2所示，包括光子晶体光纤侧抛前预留的两个纤芯(5)(6)、空气孔、金纳米柱(7)、石墨烯(8)和银纳米柱(9)。
2.根据权利1基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：光子晶体光纤(1)的材料为聚乙烯，折射率为1.4378。
3.根据权利1所述的基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：光子晶体光纤(1)的侧抛面为D型，两个纤芯(5)(6)相互对称。
4.根据权利1所述的基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：金/银纳米柱的半径相同，间距相同，且包覆的石墨烯厚度也相同。
5.根据权利1或4所述的基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：金/银纳米柱的数量不定，以刚好将两个纤芯覆盖住为准。如当d＝50nm时，纳米柱数量为720。
6.根据权利1所述的基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：光子晶体光纤(1)的空气孔的直径为9um，间距也为9um。
7.根据权利1或5所述的基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：金/银纳米柱柱间距为30nm～70nm，可根据实际需要进行选择。
8.根据权利1或4所述的基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：石墨烯层数最好取1～5层，同样可根据实际需要进行选择。
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