CN111175249B - 用于低折射率检测的近红外串联pcf-spr传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤传感器,具体涉及一种用于低折射率检测的近红外串联PCF‑SPR传感器,包括两根串联接触且对称分布的偏芯光子晶体光纤,光纤中心的空气孔外部的包层内设有三层呈正六边形排列的空气孔,其中在X轴上第二层的空气孔的位置为纤芯,两根光纤的纤芯近距离相对,其中最外层六边形的顶点为孔径小于空气孔的小气孔;排列的空气孔成六边形排列的空气孔和外层六个小空气孔;光纤的外壁之间设有上、下两根金线,金线与光纤的外壁接触;光纤的外侧为一个环形待测分析物通道。该传感器制作工艺简单,可大量生产且容易实现;结构体积小,易实现微型化;偏芯结构,倏逝场能容易地穿透金线,进而与外部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,具体涉及一种用于低折射率检测的近红外串联PCF-SPR传感器。
背景技术:
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术在传感领域有着重要地位,凭借其实时分析、无需标记、灵敏度高等突出优势,广泛应用于生命科学、医疗诊断、环境监测、药物筛选、食品安全等领域。而光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)的出现,再次将基于表面等离子体共振技术的光纤传感器推向一个新的研究热点。光子晶体光纤是由周期性排列的空气孔组成,不同空气孔的设计使其含有相应的传输模式。与传统光纤传感器相比,光子晶体光纤传感器结构灵活多变,灵敏度高,受到了广泛的关注。
近年来,基于表面等离子体共振技术的光子晶体光纤传感器的研究成为热点,光纤的拉制技术和镀膜技术都有很大的发展。现常用的激发表面等离子共振的材料有银(Ag)、金(Au)、氧化铟锡(ITO)、氮化锆(ZrN)、氮化钛(TiN)、二氧化钛(TiO2)、石墨烯等。对于PCF-SPR传感器,激发表面等离子共振的材料的镀在光纤上的均匀程度以及镀膜过程的难易程度十分关键,由于光纤的微型化及圆形结构,这一过程的可达到的精度并不确定,尽管D型结构光纤的出现为相应材料提供了镀膜平台,但D型光纤的制作又十分不易。此外,目前对PCF-SPR传感器的研究主要集中在可见光波段对高折射率液体环境的检测,而且折射率检测的范围有限。
发明内容:
本发明的目的是提供一种能够工作在低折射率溶液环境下并且拥有较宽检测范围的近红外串联偏芯光子晶体光纤表面等离子体共振传感器,弥补和改善了上述现有技术的不足之处。该传感器采用了光纤串联形式并结合两根金线接触相切的结构,制作工艺简单,可大量生产且容易实现;传感器结构体积小,易实现微型化;传感器中光纤无需镀膜,采用两根金线激发表面等离子共振效应,有效地避免了由于镀膜厚度不均匀导致制的传感性能不佳;传感器中串联且对称的两根光纤直接为金线提供了放置空间,金线与光纤互为相切;传感器中的两根光纤采用偏芯结构,倏逝场能容易地穿透金线,进而与外部作用实现更高的灵敏度。
本发明采用的技术方案为:一种用于低折射率检测的近红外串联PCF-SPR传感器,所述传感器包括两根串联接触且对称分布的偏芯光子晶体光纤,所述偏芯光子晶体光纤的包层的中心设有空气孔,中心的空气孔外部的包层内设有三层呈正六边形排列的空气孔,其中在X轴上第二层的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),两根偏芯光子晶体光纤的纤芯近距离相对,其中最外层六边形的顶点(也即正六边形六个边的交点)为孔径小于空气孔的小气孔;排列的空气孔呈六边形排列的空气孔和外层六个小气孔;所述相互接触的两根偏芯光子晶体光纤的外壁之间设有上、下两根金线,金线与两根偏芯光子晶体光纤的外壁接触;两根偏芯光子晶体光纤的外侧为一个环形待测分析物通道。
进一步地,所述包层内空气孔的半径为0.45μm,小气孔的半径是0.4μm;所述的两根金线的半径为0.2μm。
进一步地,所述两根对称的偏芯光子晶体光纤串联相切,金线与串联的偏芯光子晶体光纤互为相切。
进一步地,所述偏芯光子晶体光纤的材料为二氧化硅,其为折射率引导型光子晶体光纤。
本发明的有益效果:提供了一种能够工作在低折射率溶液环境下并且拥有较宽检测范围的近红外串联偏芯光子晶体光纤表面等离子体共振传感器,弥补和改善了上述现有技术的不足之处。该传感器采用了光纤串联形式并结合两根金线接触相切的结构,制作工艺简单,可大量生产且容易实现;传感器结构体积小,易实现微型化;传感器中光纤无需镀膜,采用两根金线激发表面等离子共振效应,有效地避免了由于镀膜厚度不均匀导致制的传感性能不佳;传感器中串联且对称的两根光纤直接为金线提供了放置空间,金线与光纤互为相切;传感器中的两根光纤采用偏芯结构,倏逝场能容易地穿透金线,进而与外部作用实现更高的灵敏度。主要优点如下:
(1)、该传感器含有两根完全且排布对称相同的光子晶体光纤,可以使光的限制性损耗增强,利于对光信号进行检测;
(2)、该传感器采用光纤串联形式并结合两根金线接触相切的结构,制作工艺简单,可大量生产且容易实现;
(3)、该传感器无需镀膜过程,采用两根金线激发表面等离子共振效应,有效地避免了由于镀膜厚度不均匀导致制的传感性能不佳;
(4)、该传感器中串联且对称的两根光纤直接为金线提供了放置空间,金线与光纤互为相切,易于安装使用;
(5)、该传感器中的两根光纤采用偏芯结构,倏逝场能容易地穿透金线,进而与外部作用实现更高的灵敏度;
(6)、该传感器工作波段为近红外区域,共振波长范围是865nm至1675nm;
(7)、该传感器拥有较宽的低折射率检测范围,可从1.13到1.35,具有较大的检测跨度;
(8)该传感器的最大光谱灵敏度可达到17500nm/RIU。
附图说明:
图1是实施例一中串联PCF-SPR传感器的俯视图;
图2是实施例一中串联PCF-SPR传感器的截面示意图;
图3是实施例一中串联PCF-SPR传感器的共振波长与待测溶液折射率的对应关系图;
图4是实施例一中串联PCF-SPR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1.13-1.35时限制损耗谱);
图5是实施例一中串联PCF-SPR传感器的工作示意图;
图6是实施例一中光纤包层内空气孔、小气孔和偏芯纤芯的排布示意图;
图7是实施例一中光纤包层内偏芯纤芯的位置示意图。
具体实施方式:
实施例一
参照各图,一种用于低折射率检测的近红外串联PCF-SPR传感器,所述传感器包括两根串联接触且对称分布的偏芯光子晶体光纤1,所述偏芯光子晶体光纤1的包层6的中心设有空气孔4,中心的空气孔4外部的包层6内设有三层呈正六边形排列的空气孔4,其中在X轴上第二层的空气孔4的位置为纤芯(也即该位置没有空气孔,而是偏心的纤芯),两根偏芯光子晶体光纤1的纤芯近距离相对,其中最外层六边形的顶点(也即正六边形六个边的交点)为孔径小于空气孔4的小气孔5;排列的空气孔4呈六边形排列的空气孔4和外层六个小气孔5;所述相互接触的两根偏芯光子晶体光纤1的外壁之间设有上、下两根金线3,金线3与两根偏芯光子晶体光纤1的外壁接触;两根偏芯光子晶体光纤1的外侧为一个环形待测分析物通道2;所述的两根金线3的半径为0.2μm;所述两根对称的偏芯光子晶体光纤1串联相切,金线3与串联的偏芯光子晶体光纤1互为相切;所述偏芯光子晶体光纤1的材料为二氧化硅,其为折射率引导型光子晶体光纤,空气的折射率为1。
当有入射光在两根偏芯光子晶体光纤内部传输时,不同波长的光将以特定的模式在纤芯内进行传播,当入射光波的波矢与金线的表面等离子体波的波矢相同时,光纤与金线的接触界面会发生能量耦合,即满足相位匹配条件,光纤中纤芯导模的能量将会耦合到金线上,产生表面等离子体共振效应,光纤内的能量减少,即发生了能量损耗。能量损耗最大时对应的光波长为共振波长。通过能量损耗和共振波长的关系,画出能量的损耗谱。当待测分析物通道内的分析样品的折射率发生变化时,光纤与金线发生能量耦合的相位匹配条件发生改变,进而共振波长与损耗强度发生改变。当该传感器放置在待测分析物样品溶液时,工作示意图如图3所示,通过观察对比共振波长的变化即可检测出待测溶液的折射率值,从而达到传感的目的。
通过仿真软件建立本发明的传感模型,并基于有限元法利用计算机对其进行仿真,可以得到共振波长和待测溶液折射率之间的关系曲线,如图4所示。
拟合曲线的拟合公式为
λ(nm)=I+B1*n+B2*n2+B3*n3+B4*n4
这里,λ为共振波长,单位为nm,n为待测样品折射率,单位为RIU。另外,I=2.61929E6±483148.30815,B1=-8.63128E6±1.56354E6,B2=1.06624E7±1.89538E6,B3=-5.85126E6±1.02006E6,B4=1.20386E6±205643.8323,且调整后的R2=0.99649。
本发明的传输损耗可以通过下式求出:
这里,λ代表入射波长,单位为μm,Im[neff]代表纤芯基模有限折射率的虚部,通过损耗公式,可计算得出待测样品折射率范围为1.13-1.35时的损耗光谱变化量,损耗谱如图5所示,共振波长随待测样品折射率的增大向长波方向移动,即发生红移现象。
本传感器的光谱灵敏度可以通过下式求出:
这里,Δλpeak代表共振波长的差值,Δna代表待测分析样品折射率差值,由图5数据及上述公式计算得出,本传感器的光谱灵敏度最大为17500nm/RIU°
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 (3)
1.一种用于低折射率检测的近红外串联PCF-SPR传感器,其特征在于:所述传感器包括两根串联接触且对称分布的偏芯光子晶体光纤(1),所述偏芯光子晶体光纤(1)的包层(6)的中心设有空气孔(4),中心的空气孔(4)外部的包层(6)内设有三层呈正六边形排列的空气孔(4),其中在X轴上第二层的空气孔(4)的位置为纤芯,两根偏芯光子晶体光纤(1)的纤芯近距离相对,其中最外层六边形的顶点为孔径小于空气孔(4)的小气孔(5);排列的空气孔(4)呈六边形排列的空气孔(4)和外层六个小气孔(5);相互接触的两根所述偏芯光子晶体光纤(1)的外壁之间设有上、下两根金线(3),金线(3)与两根偏芯光子晶体光纤(1)的外壁接触;两根偏芯光子晶体光纤(1)的外侧为一个环形待测分析物通道(2)。
2.根据权利要求1所述的一种用于低折射率检测的近红外串联PCF-SPR传感器,其特征在于:所述包层(6)内空气孔(4)的半径为0.45μm,小气孔(5)的半径是0.4μm;所述的两根金线(3)的半径为0.2μm。
3.根据权利要求1所述的一种用于低折射率检测的近红外串联PCF-SPR传感器,其特征在于:所述偏芯光子晶体光纤(1)的材料为二氧化硅,其为折射率引导型光子晶体光纤。
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