CN110823841A - 基于磁光效应的d型光子晶体光纤多参量spr传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器。所述D型光子晶体光纤传感器包括具有平面壁和曲面侧壁的多模光子晶体光纤，其横截面呈D形，在所述D型侧面上具有传感层，纤芯右侧对称的空气孔填充有温敏介质，纤芯下方空气孔填充有磁光介质。本发明在D形光子晶体光纤侧抛表面镀有一层金薄膜，作为传感层，实现高灵敏度的SPR折射率传感器，温敏介质由甲苯构成，实现温度传感，磁光介质由Fe3O4构成，实现磁场传感。本发明的优点是：克服了传统光纤传感器传感参数单一的不足，实现了温度、磁场、折射率三参量的实时测量。另外D型结构的设计减小了传感层与纤芯的距离，有利于与样品的强相互作用，进而实现了高达57900nm/RIU的超高传感灵敏度。该传感器设计新颖，体积小，集成度高，在未来实现光电子集成器件及多功能传感检测领域具有重要的应用前景。

Description

基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器
(一)技术领域
本发明涉及光子晶体光纤和表面等离子体共振传感技术，具体涉及到一种利用混合传感机制的高灵敏度光子晶体光纤磁场、温度和折射率三参量传感器。
(二)背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是发生在电介质和金属界面的一种物理光学现象。当光入射到这两种材料的界面，发生全内反射时会产生倏逝波，进而导致金属表面自由电子发生相干振荡，产生表面等离子体共振。对于SPR现象的研究，最早可以追溯到100多年以前。Wood等人在1902年的研究中发现光波在金属衍射光栅中传播时，光波的能量会减少，这是人们第一次发现SPR现象。直到1941年，Fano从金属和空气交界面的上表面会激发出电磁波这一角度出发，解释了SPR现象。1957年，R.H.Ritchie发现高能电子在金属薄膜中传播时，除了在等离子体处会发生能量损失现象外，在低频处也会有能量损失，因此他指出这可能与金属薄膜的界面存在一定的关系，并预言存在表面等离子体。两年后C.J.Powell和J.B.Swan在实验中观察到表面等离子体激元共振的现象，从而证明了R.H.Ritchie的理论。德国物理学家Otto在1968年设计了一种以棱镜为耦合器件的Otto模型，并且指出了SPR现象的激发实际上是一种全反射现象。1970年，Kretschmann通过在棱镜的底部直接镀上金属薄膜，也激发了SPR效应。这两种模型的提出为SPR传感器的发展和应用提供了坚实的基础。
当引入外加磁场时，一般具有固定磁矩物质的磁化方向、磁化强度、磁导率甚至是与光学性质有关的介电常数等物理参量将会发生变化，从而使得光波与磁化后物质相互作用时的传输特性(传播方向、偏振方向、频率、相位、透射率、反射率或者散射特性等)发生变化，这种利用物质磁化而引起的光波状态的变化称为磁光效应(Magnetooptical Effect,MO)。有些物质如抗磁性物质，其内部的原子或离子没有固有磁矩，但当物质处于外磁场中时电子轨道会产生附加的拉莫进动，这种进动也会引起相应的角动量和磁矩的变化从而产生微弱的磁光效应。
模式耦合(Coupled Mode)指的是当两束光波导相距较近，一束光在其中一个光波导中传输时，会沿着光波传输的方向周期性的耦合到另一个光波导中传输的现象。当两束波导的有效折射率相等或相近时,发生共振耦合效应。
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)是基于光子带隙理论发展起来的一种新型光纤，又称为多孔光纤或微结构光纤，最初是在20世纪90年代初由英国的St.Russell提到。PCF是通过在纯石英材料上沿轴向方向周期性排列二维的孔洞或者掺杂物质构成的。它通过这些空气孔对光束进行限制，从而达到光沿着轴向进行传输的目的。和传统的光纤相比，由于其独特的光学特性，光子晶体光纤引起极大的关注并且成为近几年来光学的研究热点。在光纤滤波、光纤传感、光开关、光纤激光器、偏振器和超宽色散补偿等研究领域得到了极大的应用。
D型光子晶体光纤指的是PCF的侧面是一个平面，从横截面处观察就是一个近似的大写字母D。该种光子晶体光纤主要是通过激光刻蚀和光纤研磨抛光技术，对圆柱体的PCF进行微加工处理，去除光纤的部分包层形成。D型光子晶体光纤在不同的传感应用中实现了主要基于传感和解调两个参数的可调谐性，它们分别是光纤传输时的折射率变化和能量分布变化。当有效折射率改变时，通过检测光波长的移动来实现环境参数变化量的测量，当能量分布改变时，可以通过检测光波强度的变化来实现传感。科研人员利用以上两种方法进行了大量的研究，2006年，Shinn-Fwu Wang将D型光子晶体光纤和SPR技术结合起来，提出了一种全新的传感方法。通过把金膜镀在D型表面，折射率传感的灵敏度得到了极大的提升。2011年，Lanza提出D型光纤布拉格光栅传感器，他研究了磁场对结构性能的影响，其灵敏度可以达到1.4403pm/G。在2012年，Lo等人研究提出了一种四层D型光纤传感器，用来测量偏振应变，作者研究了入射光通过传感器时S波和P波相位差的应变响应，结果表明，其灵敏度提高了40倍。2015年，Shi等人提出了一种D型光子晶体光纤温度传感器，光纤包层的表面被抛光并涂上一层薄薄的金膜，结果显示其灵敏度可以达到11.6nm/℃。2015年DF Santos等设计了一种微结构的D型光子晶体光纤折射率传感器，其最大光谱灵敏度达到了10200nm/RIU。这些研究证明D型光纤传感器拥有较高的灵敏度和良好的灵活性，因此它们具有良好的应用前景。
(三)发明内容
尽管以上科研人员对D型光子晶体光纤传感进行了大量研究及改进，但是仍然未能解决传感检测参数单一的局限，且灵敏度仍然有待提高的问题。因此，为了解决以上问题，本发明设计了一种基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器，该传感器结构是在传统的D型光子晶体光纤传感器的基础上加以改进，并进一步缩短金膜与纤芯的距离，加强SPR耦合从而提高传感器的检测灵敏度。另外，通过在纤芯下方的空气孔里填充有磁光介质，利用磁光介质的磁光效应和定向耦合效应形成磁场传感通道，在纤芯右侧填充温敏介质甲苯形成温度传感通道。该设计既可以形成三参量的同时测量，也可以用于温度、磁场补偿的折射率传感。该传感器设计新颖，体积小，集成度高，在未来实现光电子集成器件及多功能传感检测领域具有重要的应用前景。
本发明具体通过以下技术方案实现的：
基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器，光纤的衬底材料为二氧化硅，它的材料色散可通过Sellimeier方程得到，光纤经侧抛光处理，其横截面类似于D型的结构，金属层和样品放置在平面部分的顶部。所述的光子晶体光纤型号建议为ESM-12光子晶体光纤，光子晶体光纤的直径为125μm，传感区长度L＝1mm，金属薄膜厚度t＝50nm，空气孔距离Λ＝16um，空气孔直径d＝0.42Λ。
本发明的工作机理：
在所设计的D型光子晶体光纤传感器的侧抛表面装入待测样品，由于金属薄膜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，因此可以金薄膜表面临近物质的折射率的微小变化转换成可测量的损耗峰的位移，从而达到折射率传感的目的。在D型光子晶体光纤传感器的纤芯右侧空气孔填充有温敏介质甲苯，用来检测温度，在纤芯下侧的空气孔中填充有磁光介质Fe3O4，用以检测磁场。
与现有技术相比，本发明的优点：
1、本发明通过有限元法(FEM，Finite Element Method)从理论仿真上实现了基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量(磁场、温度、折射率)SPR传感器的传感要求。
2、本发明所使用的磁光介质Fe3O4在磁场强度为H＝90Oe～210Oe范围内磁场灵敏度为1.3nm/Oe。温敏介质甲苯在温度T＝5℃～60℃范围内，能获得-9.11nm/RIU的较高的温度灵敏度。
3、本发明所使用的D型结构进一步加强了分析物与纤芯的相互作用，能实现折射率传感区间为1.36～1.44的高灵敏度传感。且在折射率区间1.43～1.44内，传感性能最大光谱灵敏度达到了57900nm/RIU，远高于传统光纤传感器。
(四)附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明的横截面示意图。
图3为本发明在不同磁场强度下，填充有磁光介质空气孔(5)导模损耗特性图。
图4为本发明在磁场强度范围为90Oe～270Oe时，共振波长随磁场变化关系图。
图5为本发明在不同温度条件下，填充有温敏介质空气孔(6)导模损耗特性图。
图6为本发明在温度范围为5℃～60℃时，共振波长随温度的变化关系图。
图7为本发明在不同外界折射率时纤芯导模的损耗谱特性图。
图8为本发明在不同外界折射率时的SPR共振波长随折射率变化关系图。
图中标号为：1、光子晶体光纤；2、分析物传感区；3、金薄膜；4、空气孔，5、磁光介质Fe3O4；6、温敏介质甲苯。
(五)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。
如图1和图2所示，采用型号为ESM-12的光子晶体光纤(1)，对光子晶体光纤侧抛光形成D型光纤，在侧抛表面镀一层厚度t＝50nm的金薄膜(3)，检测溶液(2)将在D型抛光区的表面进行流动。光子晶体光纤中设有三层呈正六边形排列的圆形空气孔(4)，在纤芯右侧的空气孔中注入温敏介质甲苯(6)，在纤芯下侧的空气孔中注入磁光介质Fe3O4。
采用波长调制法，波长的变化范围为600nm～2000nm，利用基于全矢量有限元法的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，在温度25℃时，记录了180Oe和270Oe磁场强度下磁光介质空气孔(5)导模的损耗随波长的变化规律。对比发现当磁场强度为210Oe时，共振损耗峰随磁场强度的增大向长波长方向移动，发生红移，损耗峰几乎不变。共振损耗峰对应的共振波长对磁光介质折射率的变化较为敏感，因此利用这一特性即可通过比较共振波长的漂移来分析磁光介质折射率的改变，进而检测磁场强度的变化，实现磁场传感。
而图4则显示了共振波长与磁场强度的变化关系，可以发现基于光子晶体光纤纤芯定向耦合效应的磁场传感在两个区间内具有较好的线性度和灵敏度，1、在90Oe～210Oe的磁场强度范围内平均灵敏度可达1.3nm/Oe，2、在210Oe～270Oe的磁场强度范围内灵敏度为0.33nm/Oe。与朗之万曲线的变化规律：磁光介质在磁场强度较低时的有效折射率变化率更大的规律相符。
图5为15℃和25℃时温敏介质空气孔(6)导模的损耗随波长的变化关系，可以发现25℃温度下的损耗曲线的损耗峰相对15℃温度时向短波长方向产生明显蓝移，损耗峰值有所降低。
图6为填充温敏介质的空气孔(6)中发生定向耦合时的共振波长随外界温度的变化关系图，可以发现基于光子晶体光纤纤芯定向耦合效应的填充温敏介质的光子晶体光纤磁场传感具有较好的线性度和灵敏度。在温度为5℃～60℃范围内，共振波长随着温度增大而蓝移，灵敏度最高可达-9.11nm/℃。
图7为不同待测溶液折射率的纤芯导模损耗谱曲线，插图为折射率为1.43和1.44的纤芯导模损耗谱曲线。入射波长范围为700nm～1100nm，随着待测样品折射率的增加，吸收峰发生红移，且损耗峰峰值逐渐增大。
图8为SPR效应在不同折射率处的共振波长，可以看出在折射率从1.43到1.44时，其共振波长漂移为Δλ＝579nm。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：S(λ)＝Δλpeak/Δna，当折射率na从1.36变化到1.37、1.38、1.39、1.40、1.41、1.42、1.43和1.44时，损耗峰的峰值偏移量分别为33、45、57、77、115、183、220和579nm，灵敏度分别为3300、4500、5700、7700、11500、18300、22000和57900nm/RIU，平均光谱灵敏度为16362.5nm/RIU。当光谱仪的最小分辨率Δλmin＝0.1nm时，平均最小光谱分辨率为R＝Δna×Δλmin/Δλpeak(RIU)≈6.11×10-5(RIU)。可以看出用该模型制成的光子晶体光纤传感器不仅能实现三参量的检测传感，而且其平均光谱灵敏度相较于其他同类传感器都有较大提升。
为使得实际制造该光纤传感器时，能具体和灵活的选择参数及材料，应用于不同的使用环境以及检测范围，本发明对针对光子晶体光纤的型号建议为：ESM-12光子晶体光纤，金属膜建议为：金膜；磁光介质建议为：Fe3O4；温敏介质为：甲苯；
本发明的传感器结构在可见光和近中红外频段内具有分别为温度、磁场、折射率三参量的同时测量特性，并且通过修改相关结构参数和使用材质来调整检测光谱和控制成本的目的，从而实现多参量、高灵敏度、高检测精度、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.基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器，如图1和图2所示，包括光纤传感器本体，其由光子晶体光纤(1)、分析物传感区(2)、金薄膜(3)、光子晶体光纤空气孔(4)、磁光介质Fe3O4(5)和温敏介质甲苯(6)组成。光子晶体光纤包层的直径D＝125um，侧抛面长度L＝1mm。
2.根据权利1基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器，其特征为：光子晶体光纤(1)的材料为二氧化硅，折射率可根据Sellmeier方程算出。
3.根据权利1基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器，其特征为：光子晶体光纤(1)的侧抛面为D型，表面涂覆有金薄膜(3)。
4.根据权利1基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器，其特征为：下侧的空气孔内填充有磁光介质(5)，纤芯右侧的空气孔内填充有温敏介质(6)。
5.根据权利1或3所述的基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器，其特征为：金薄膜的厚度t＝50nm，宽度以刚好将覆盖住D型表面为准。
6.根据权利1或4所述的基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器，其特征为：温敏介质建议为甲苯，也可以用甘油和乙醇等替代，磁光介质建议为Fe3O4，也可以用Fe2O3等替代。
7.根据权利1所述的基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器，其特征为：光子晶体光纤的空气孔间距Λ＝16um，空气孔直径d＝0.42Λ。
8.根据权利1所述的基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器，其特征为：其适宜用于侧抛的光纤型号建议为ESM-12光子晶体光纤。
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