CN110907407B - 一种基于spr的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器 - Google Patents
一种基于spr的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110907407B CN110907407B CN201911218847.6A CN201911218847A CN110907407B CN 110907407 B CN110907407 B CN 110907407B CN 201911218847 A CN201911218847 A CN 201911218847A CN 110907407 B CN110907407 B CN 110907407B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- refractive index
- air holes
- fiber
- diameter
- 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.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 58
- 239000013079 quasicrystal Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 title abstract description 28
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 58
- 239000012491 analyte Substances 0.000 claims abstract description 42
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 10
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 7
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 25
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 17
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 2
- 238000001448 refractive index detection Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012792 core layer Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/4133—Refractometers, e.g. differential
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N2021/0106—General arrangement of respective parts
- G01N2021/0112—Apparatus in one mechanical, optical or electronic block
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种光纤传感器，具体涉及一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器，光纤包层上设有按照八重Penrose型光子准晶体结构排布的空气孔，其中在Y轴上第11层的空气孔的位置为纤芯，且纤芯上方第14层和第16层的气孔为第一小径空气孔和第二小径空气孔；光纤的Y轴外壁上局部镀有氧化铟锡膜，光纤的外侧为一个环形待测分析物通道。该传感器采用环形分析物通道，结构简单制作容易；体积小，易于实现微型化；采用氧化铟锡用于表面等离子体激发，化学性质更稳定；采用局部镀膜，有效的避免高阶耦合的产生；采用独特的偏芯结构，倏逝场更容易穿透氧化铟锡薄膜，使倏逝场与外部更好的作用实现更高的灵敏度。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光纤传感器，具体涉及一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器。
背景技术：
基于表面等离子体共振(surface plasmon resonance，SPR)的光纤传感器具有灵敏度高、无需标记、快速响应等突出特点，普遍应用于食品安全、医疗诊断、药物检测等领域。然而，传统的光纤传感器仍然存在许多难以解决的缺点，如保偏性较差，耦合损耗较大，以及交叉敏感等问题，这些大大限制了传感器性能的提升。光子准晶体光纤(photonicquasi-crystal fiber，PQF)是在光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)的基础上发展起来的一种新型的微结构光纤，准晶结构的格点排列具有旋转对称和长程指向性，但没有平移周期性。其横截面的空气孔排列呈二维准晶体结构，是由一个正方形和一个正三角形或菱形和一个正方形组成的基本单元旋转而来的，可以得到具有5重，8重，10重，12重等多重准晶结构。研究表明，准晶体结构光纤具有普通光纤和光子晶体光纤所不具备的一些优良传输性能，比如，约束损耗小，近零的超平坦色散、较大的负色散、较大的模场面积等优点。
基于表面等离子体共振的光子准晶体光纤(PQF-SPR)传感技术是近年来国际上刚刚兴起的一种用于检测生化物质的新型检测技术。PQF-SPR传感器在生物、化学、环境、医学等许多领域都有广泛的应用前景。2015年，M.S.Aruna Gandhi,S.Sivabalan，提出了十重PQF-SPR传感模型。从那以后，有多种PQF-SPR传感器被报道。但是，之前提出的大部分PQF-SPR传感器结构复杂，普遍利用不稳定(易氧化)的金属材料制作SPR传感器并且工作在可见光范围内。氧化铟锡(ITO)是一种稳定的导电金属氧化物，即使是沉积在介电表面的非常薄的一层，也不会像金膜一样有岛状形成。此外，镀氧化铟锡膜SPR传感器可以工作在近红外区域，研究此波段的光纤传感器具有很大的意义。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器，弥补和改善了上述现有技术的不足之处。该传感器的工作波段在近红外区域，具有较高的折射率检测灵敏度；传感器采用环形分析物通道，避免对光纤处理，维持光纤原有的机械强度，结构简单容易制作降低了加工难度；体积小，易于实现传感器的微型化；传感器采用氧化铟锡用于表面等离子体激发，化学性质更稳定；传感器采用局部镀膜，有效的避免高阶耦合的产生；传感器采用独特的偏芯结构，倏逝场更容易穿透氧化铟锡薄膜，使倏逝场与外部更好的作用实现更高的灵敏度。
本发明采用的技术方案为：一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器，所述传感器的光纤包层上设有按照八重Penrose型光子准晶结构排布的空气孔，其中在Y轴上第11层空气孔的位置为纤芯(也即该位置没有空气孔，而是偏心的纤芯)，且纤芯上方第14层和第16层的气孔为第一小径空气孔和第二小径空气孔(也即纤芯上方第14层和第16层的两个空气孔的孔径小于其余空气孔的孔径)；所述光纤的Y轴外壁上局部镀有氧化铟锡膜(也即在两个小空间空气孔光纤外圆周上局部镀有氧化铟锡膜)，其弧长为八分之一的圆周长，光纤的外侧为一个环形待测分析物通道；所述的八重Penrose型光子准晶体结构为第一至十六层的散射子。
进一步地，所述光纤的半径为47μm；所述环形待测分析物通道的内径为47μm，其外径为54μm；所述氧化铟锡膜的厚度为40nm，其弧长为八分之一的圆周长36.91μm，所述第一小径空气孔和第二小径空气孔的直径d2为2.6μm，其余包层空气孔的直径d1为5.2μm；所述八重Penrose型光子准晶体结构的晶格常数Λ为8.0μm。
进一步地，所述光纤的背景材料为二氧化硅，光纤为折射率引导型光子准晶体光纤；所述金属氧化物材料为氧化铟锡。
进一步地，该光纤传感器的光纤端面结构分布着十六层空气孔及一个圆环形的待测分析物通道，光纤Y轴方向的外壁局部镀有氧化铟锡膜；包层空气孔排列取自八重Penrose型光子准晶结构第一至十六层的散射子，晶格常数为Λ；为减小纤芯导光区域与氧化铟锡膜的距离形成偏芯结构以提高SPR的激发，Y轴上第十一层的圆形空气孔由二氧化硅替代而构成纤芯；为增加纤芯导光区域与氧化铟锡膜的导光通道，纤芯上方的第十四层空气孔和第十六层空气孔为小尺寸空气孔。光纤的金属膜为外侧镀氧化铟锡且局部涂覆。
本发明的有益效果：提供了一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器，弥补和改善了现有技术的不足之处。该传感器的工作波段在近红外区域，具有较高的折射率检测灵敏度，并且降低了加工难度。光纤端面结构分布着空气孔，Y轴上第十一层的圆形空气孔由二氧化硅替代而构成纤芯，纤芯上方的第十四层空气孔和第十六层空气孔为小尺寸空气孔，所述光纤外侧是一个环形待测分析物通道，光纤的Y轴外壁局部镀有氧化铟锡膜；包层空气孔排列取自八重Penrose型光子准晶体结构第一至十六层的散射子，晶格常数为Λ；光纤的纤芯为偏芯。主要优点如下：
(1)、基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器的共振波长范围是1580nm到2320nm。
(2)、基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器采用环形分析物通道，结构简单制作容易，更易于实现传感器的微型化。
(3)、基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器待测分析物最大波长灵敏度高达96666.67nm/RIU，波长分辨率1.03×10-6RIU。
(4)、基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器待测分析物折射率范围1.380到1.413时，平均波长灵敏度达22424.24nm/RIU。
(5)、基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器采用氧化铟锡用于表面等离子体激发，化学性质更稳定。
(6)、基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器采用独特的偏芯结构，倏逝场更容易穿透氧化铟锡薄膜，倏逝场与外部更好的作用实现更高的灵敏度。
(7)、基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器采用局部涂覆氧化铟锡，有效避免纤芯导模与表面等离子体模的高阶耦合。
附图说明：
图1是实施例一中光子准晶体光纤折射率传感器的横截面示意图；
图2是实施例一中空气孔的排布示意图；
图3是实施例一中八重Penrose型准晶体结构的基本结构单元图；
图4是实施例一中光子准晶体光纤折射率传感器的限制损耗谱与电场分布图(分析物折射率为1.407时限制损耗谱)；
图5是实施例一中光子准晶体光纤折射率传感器的不同待测分析物折射率时基模的损耗谱图(分析物折射率为1.380-1.413时限制损耗谱)；
图6是实施例一中光子准晶体光纤折射率传感器的共振波长图(分析物折射率为1.380-1.413时共振波长)；
图7是实施例一中晶格常数Λ对光子准晶体光纤折射率传感器的影响曲线图(分析物折射率为1.413时限制损耗谱)；
图8是实施例一中空气孔直径d1对光子准晶体光纤折射率传感器的影响曲线图(分析物折射率为1.413时限制损耗谱)；
图9是实施例一中空气孔直径d2对光子准晶体光纤折射率传感器的影响曲线图(分析物折射率为1.413时限制损耗谱)。
图10是实施例一中氧化铟锡膜厚度对光子准晶体光纤折射率传感器的影响曲线图(分析物折射率为1.413时限制损耗谱)；
图11是实施例一中氧化铟锡膜弧长对光子准晶体光纤折射率传感器的影响曲线图(分析物折射率为1.413时限制损耗谱)。
具体实施方式：
实施例一
参照各图，一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器，所述传感器的光纤7包层上设有按照八重Penrose型光子准晶结构排布的空气孔1，其中在Y轴上第11层的空气孔1的位置为纤芯2(也即该位置没有空气孔，而是偏心的纤芯)，且纤芯2上方第14层和第16层的气孔为第一小径空气孔3和第二小径空气孔4(也即纤芯(上方第14层和第16层的两个空气孔的孔径小于其余空气孔的孔径)；所述光纤7的Y轴外壁上镀有氧化铟锡膜6(也即在两个小空间空气孔光纤外圆周上局部镀有氧化铟锡膜)，其弧长为八分之一的圆周长，光纤7的外侧为一个环形待测分析物通道5；所述的八重Penrose型光子准晶结构为第一至十六层的散射子；所述光纤7的半径为47μm；所述环形待测分析物通道5的内径为47μm，其外径为54μm；所述氧化铟锡膜6的厚度为40nm，其弧长为36.91μm，所述第一小径空气孔3和第二小径空气孔4的直径d2为2.6μm，其余空气孔1的直径d2为5.2μm；所述八重Penrose型光子准晶结构的晶格常数Λ为8.0μm；所述光纤7的背景材料为二氧化硅，光纤7为折射率引导型光子准晶体光纤。
为了克服现有技术制作D-型、U-型、内壁涂覆金属、纳米线型等光子晶体光纤折射率传感器需要打磨抛光、内部镀金属、向小孔内注分析物难以实现的缺点，提出了一种结构简单的基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器，可以获得比现有设计的复杂结构折射率传感器更高的灵敏度，并且限制损耗曲线清晰。
图1是一种基于SPR的具有高灵敏度检测的光子准晶体光纤折射率传感器的横截面图。整个结构的散射子以八重Penrose型光子准晶体结构排列，由相邻的正方形与内角为45°和135°的菱形构成(如图2和图3的结构解析图所示)，相邻圆形空气孔间距(晶格常数)Λ为8.0μm。Y轴上第十一层的圆形空气孔为纤芯(二氧化硅)，空气孔的孔径均为d1＝0.65·Λμm，纤芯上方的第十四层和第十六层的第一小径空气孔和第二小径空气孔的尺寸为d2＝0.5·d1。光纤的Y轴外壁局部镀有氧化铟锡膜，氧化铟锡膜外侧为待测分析物通道呈圆环形，圆形待测分析物通道内径为47μm，外径为54μm。氧化铟锡膜的厚度为40nm，氧化铟锡膜的弧长为八分之一圆周长C·1/8。所述光纤的背景材料为二氧化硅，其折射率由Sellmeier方程确定，空气折射率为1，光纤为折射率引导型光子准晶体光纤。
该传感器是利用PQF外侧的圆环形待测分析物通道作为传感通道，将氧化铟锡膜涂覆在光纤的外壁上，然后在传感通道内填充待测分析物。当入射的某一波长的TM波与氧化铟锡膜的表面等离子波有相同的波矢时，即达到了相位匹配，此时就会在氧化铟锡界面处发生能量耦合，能量从光子转移到表面等离子，纤芯导模式中的光能量会被转移到金属氧化物，即产生了表面等离子体共振。通过能量吸收和波长的关系，绘制出损耗谱。基于表面等离子体共振的传感器对待测分析物折射率的变化非常敏感，当不同折射率的分析物在环形通道内流动时，待测分析物样品通过倏逝场改变相位匹配条件，从而导致损耗峰中的共振波长和共振强度发生变化。通过观察该光子准晶体光纤折射率传感器损耗谱的变化情况，就能检测出待测分析物的折射率值，从而达到了检测的目的。
通过仿真软件建立本发明的传感模型，模拟计算其传感过程，可以得出某一波长下的光子准晶体光纤基模有效折射率，该折射率是一个复数。经模拟和计算所得的最优结构(Λ＝8.0μm,d1＝0.65·Λμm，d2＝0.5·d1μm，tITO＝40nm，LITO＝C·1/8μm)在待测分析物折射率为1.407时，基模有效折射率实部和SPP模实部与波长的对应关系如图4所示。基模与SPP模的有效折射率虚部在波长1920nm处相交，说明此时的共振强度最大。
利用有效模式折射率的虚部可以求出光纤的传输损耗：
这里λ代表入射波长，单位为微米，Im(neff)代表基模有效折射率虚部。通过这一公式得到待测分析物折射率从1.380到1.413变化时基模的损耗谱，损耗谱图如图5所示(Λ＝8.0μm,d1＝0.65·Λμm，d2＝0.5·d1μm，tITO＝40nm，LITO＝C·1/8μm)。当待测分析物折射率变化(1.380-1.413)时，共振峰发生红移，且共振波长差随着折射率的变大而逐渐增加。对共振波长进行拟合，可以得到分析物折射率与共振波长之间的关系式，当检测未知分析物的折射率时，只需要测出该折射率下的共振波长，即可以得到对应的折射率值。
本发明的光谱灵敏度可以通过下式求出：
这里，Δλpeak代表共振波长差，Δna代表待测分析物折射率差。由图6数据和上式可以求出，本发明的光谱灵敏度最大为96666.67nm/RIU。波长分辨率是另一个重要的传感性能参数，它是指一个传感器可以检测到的最小分析物折射率的变化，本发明的波长分辨率可以达到1.03×10-6RIU。
(1)、晶格常数(Λ)变化对光纤传感性能的影响
当空气孔直径d1为0.65·Λμm，d2＝0.5·d1μm，tITO＝40nm，LITO＝C·1/8μm时，改变晶格常数，分析物折射率(1.413)的损耗谱见图7。从损耗曲线可以看出当晶格常数较小时，纤芯模场被限制在纤芯内，纤芯能量向SPP模传输减弱，共振效果弱。当晶格常数变大(Λ≥8.0μm)时，峰值损耗逐渐减小，共振波长向左移动。包层空气孔晶格常数增大时，模场所受挤压程度减小，占空比减小，从而共振波长差减小。随着Λ增大，模场面积增大，基模模场与芯层空气孔的作用减弱，基模与SPP的共振强度减弱，故峰值损耗降低。
(2)、包层空气孔(d1，d2)大小对光纤传感性能的影响
当晶格常数为8.0μm，tITO＝40nm，LITO＝C·1/8μm。改变空气孔直径d1和d2，其峰值损耗谱见图8和图9，随着空气孔直径的增大，峰值损耗都呈现先增大后减小的显现。这是由于当波长增加时，基模模场能量向包层空气孔渗透。空气孔的直径会直接影响基模的模场面积，当直径较小时，模场面积较大，纤芯能量集中，不利于能量向金属膜传输。当直径变大，模场面积逐渐减小，纤芯能量逐步向金属层扩散，产生更强的共振现象，峰值损耗变大。但是当直径大于最佳值(d1＞0.65·Λμm，d2＞0.5·d1μm)时，会导致纤芯基模与金属氧化物之间能量传输的通道减小，基模模场能量向外的扩散率降低，共振减弱。
(3)、氧化铟锡膜厚度和弧长变化对光纤传感性能的影响
当Λ＝8.0μm，d1＝0.65·Λμm，d2＝0.5·d1μm时。改变氧化铟锡膜厚度，其基模限制损耗谱见图10(分析物折射率1.413)。从图中可以看到，当厚度增加时，共振波长随着厚度的增加发生红移，这是因为氧化铟锡膜厚度增加需要更大的波长才会使基模与SPP模发生共振耦合。同样的，随着氧化铟锡膜厚度的增加，损耗也增大，基模与SPP模的共振强度增强。但是厚度大于40nm时(tITO＞40nm)，氧化铟锡膜对SPR产生较强的阻尼作用，使基模限制损耗整体降低。改变氧化铟锡膜弧长，其基模限制损耗谱见图11(分析物折射率1.413)。从图中可以看到，当弧长增加时，共振波长随着弧长的增加发生红移，这与氧化铟锡厚度变化导致的损耗变化现象是相似的，但是当弧长大于C·1/8μm时(LITO＞C·1/8μm)，会导致高阶的耦合现象发生，损耗曲线出现双峰，不利于待测物的检测。
由以上计算分析知Λ＝8.0μm，d1＝0.65·Λμm，d2＝0.5·d1μm，tITO＝40nm，LITO＝C·1/8μm为最优结构，在分析物折射率1.410-1.413处获得最大灵敏度，其最大灵敏度可达96666.67nm/RIU，最大分辨率为1.03×10-6RIU，优于普通的PQF-SPR传感器。
本发明申请的光纤折射率传感器外表面局部镀有氧化铟锡，用于表面等离子体激发，化学性质更稳定；不用对光纤进行加工处理，保持了光纤的原有结构和机械强度；在检测范围内有高的灵敏度。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明只局限于上述具体实施。在不脱离本发明整体思路和权利要求所保护的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器，其特征在于：所述传感器的光纤(7)包层上设有按照八重Penrose型光子准晶体结构排布的空气孔(1)，其中在Y轴上第11层的空气孔(1)的位置为纤芯(2)，且纤芯(2)上方第14层和第16层的气孔为第一小径空气孔(3)和第二小径空气孔(4)；所述光纤(7)Y轴的外壁上镀有氧化铟锡膜(6)，其弧长为八分之一的圆周长，光纤(7)的外侧为一个环形待测分析物通道(5)；所述的八重Penrose型光子准晶体结构为第一至十六层的散射子；
所述光纤(7)的半径为47μm；所述环形待测分析物通道(5)的内径为47μm，其外径为54μm；所述氧化铟锡膜(6)的厚度为40nm，其弧长为36.91μm，所述第一小径空气孔(3)和第二小径空气孔(4)的直径d2为2.6μm，其余空气孔(1)的直径d1为5.2μm；所述八重Penrose型光子准晶体结构的晶格常数Λ为8.0μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器，其特征在于：所述光纤(7)的背景材料为二氧化硅，光纤(7)为折射率引导型光子准晶体光纤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911218847.6A CN110907407B (zh) | 2019-12-03 | 2019-12-03 | 一种基于spr的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911218847.6A CN110907407B (zh) | 2019-12-03 | 2019-12-03 | 一种基于spr的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110907407A CN110907407A (zh) | 2020-03-24 |
| CN110907407B true CN110907407B (zh) | 2022-02-25 |
Family
ID=69821534
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911218847.6A Active CN110907407B (zh) | 2019-12-03 | 2019-12-03 | 一种基于spr的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110907407B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112432924B (zh) * | 2020-11-19 | 2023-12-22 | 哈尔滨理工大学 | 基于spr的方孔光子晶体光纤折射率传感装置 |
| CN112945905B (zh) * | 2021-01-27 | 2022-09-09 | 东北石油大学 | 一种基于spr的高灵敏度光子准晶体光纤甲烷传感器 |
| CN113514423B (zh) * | 2021-06-30 | 2024-02-06 | 泰山学院 | 基于切孔型的d型光子晶体光纤的等离子谐振折射率传感器 |
| CN113777699B (zh) * | 2021-09-07 | 2022-05-27 | 北京航空航天大学 | 一种光子晶体传像光纤及其设计方法 |
| CN113916836B (zh) * | 2021-11-02 | 2023-07-21 | 东北石油大学 | 基于光子准晶体光纤spr的甲烷和氢气同步测量传感器 |
| CN114152287B (zh) * | 2021-12-01 | 2022-12-13 | 北京邮电大学 | 一种可同时测量双参数的光纤传感器 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2426625C (en) * | 2000-10-26 | 2010-06-01 | Fournier Laboratories Ireland Limited | Combination of fenofibrate and coenzyme q10 for the treatment of endothelial dysfunction |
| KR20090092513A (ko) * | 2008-02-27 | 2009-09-01 | 광주과학기술원 | 광자 준결정 광섬유 |
| CN105022113B (zh) * | 2015-07-13 | 2018-01-19 | 湖南大学 | 一种新型高双折射光子准晶光纤 |
| CN107976421B (zh) * | 2017-11-10 | 2020-09-01 | 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 |
| CN110441260A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-11-12 | 南京邮电大学 | 基于spr效应的栅状膜双芯d型光子晶体光纤折射率传感器 |
-
2019
- 2019-12-03 CN CN201911218847.6A patent/CN110907407B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110907407A (zh) | 2020-03-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110907407B (zh) | 一种基于spr的高灵敏度光子准晶体光纤折射率传感器 | |
| Rifat et al. | Surface plasmon resonance photonic crystal fiber biosensor: a practical sensing approach | |
| Liu et al. | Surface plasmon resonance (SPR) infrared sensor based on D-shape photonic crystal fibers with ITO coatings | |
| Liu et al. | Numerical analysis of a photonic crystal fiber based on a surface plasmon resonance sensor with an annular analyte channel | |
| Rifat et al. | A novel photonic crystal fiber biosensor using surface plasmon resonance | |
| Jain et al. | Photonic crystal fiber-based SPR sensor for broad range of refractive index sensing applications | |
| Paul et al. | An air-core photonic crystal fiber based plasmonic sensor for high refractive index sensing | |
| Dash et al. | SPR biosensor based on polymer PCF coated with conducting metal oxide | |
| Yu et al. | A selectively coated photonic crystal fiber based surface plasmon resonance sensor | |
| Gandhi et al. | Visible to near infrared highly sensitive microbiosensor based on surface plasmon polariton with external sensing approach | |
| CN106996920B (zh) | 一种工作在中红外波段的低折射率pcf-spr传感器 | |
| Liu et al. | A square-lattice D-shaped photonic crystal fiber sensor based on SPR to detect analytes with large refractive indexes | |
| CN110441260A (zh) | 基于spr效应的栅状膜双芯d型光子晶体光纤折射率传感器 | |
| Melwin et al. | High sensitive D-shaped photonic crystal fiber sensor with V-groove analyte channel | |
| Srivastava et al. | Micro-channel plasmon sensor based on a D-shaped photonic crystal fiber for malaria diagnosis with improved performance | |
| Yang et al. | Highly sensitive refractive index sensor based on SPR with silver and titanium dioxide coating | |
| Guo et al. | Photonic crystal fiber based wide-range of refractive index sensor with phase matching between core mode and metal defect mode | |
| CN109655430A (zh) | 一种基于spr效应的螺旋微结构光纤折射率传感器 | |
| CN111521582A (zh) | 一种近红外波段双d型光子晶体光纤spr传感器 | |
| Liu et al. | A highly sensitive D-type photonic crystal fiber infrared sensor with indium tin oxide based on surface plasmon resonance | |
| Liu et al. | Zeonex-based high sensitivity dual-channel SPR optical fiber sensor for gaseous analytes in terahertz regime | |
| CN112268873A (zh) | 一种基于双芯双侧抛型pcf-spr传感器 | |
| Pan et al. | A high sensitivity localized surface plasmon resonance sensor based on D-shaped photonic crystal fiber for low refractive index detection | |
| Melwin et al. | Modelling a simple arc shaped gold coated PCF-based SPR sensor | |
| Ma et al. | Dual-band highly-sensitive SPR photonic crystal fiber sensor based on birefringence analysis |
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 | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240105 Address after: Room 801, 85 Kefeng Road, Huangpu District, Guangzhou City, Guangdong Province Patentee after: Guangzhou Dayu Chuangfu Technology Co.,Ltd. Address before: 163000 99 Xuefu street, hi tech Industrial Development Zone, Daqing, Heilongjiang Patentee before: NORTHEAST PETROLEUM University |
|
| TR01 | Transfer of patent right |