CN111307763B - 中空双芯内外薄包层表面双侧镀膜pcf-spr探针 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤探针，具体涉及一种工作在溶液环境下具有高灵敏度的双侧镀膜中空双芯PCF‑SPR探针，双侧镀膜中空双芯PCF‑SPR探针为光子晶体光纤、光子晶体光纤的包层内设有中心空气孔，中心空气孔的内壁上镀有内金膜，包层的外壁上镀有外金膜，两个纤芯位于内金膜和外金膜之间，且对称分布，形成双芯对称的光子晶体光纤。该探针能够使纤芯导模与两侧等离子体膜同时谐振；共振现象与单侧镀膜相比显著增强；平均光谱灵敏度为22571.43nm/RIU；平均光谱灵敏度为单侧镀膜的20倍；具有宽的工作波长范围为1000nm‑3400nm；结构简单，设计合理，经济适用，易于实际应用。

Description

中空双芯内外薄包层表面双侧镀膜PCF-SPR探针
技术领域：
本发明涉及一种光纤探针，具体涉及一种工作在溶液环境下具有高灵敏度的双侧镀膜中空双芯PCF-SPR探针。
背景技术：
表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是近年来国际上兴起的一种集应用和发展于一体的现代新型光学传感技术，是一种较为特殊的物理光学现象。因其具抗电磁干扰能力强、可实时监测、无需标记、灵敏度高及结构简单等优点在生物医学、环境监测、石油化工等诸多领域都具有极其广阔的应用前景。由于它对外界介质折射率的微小变化极为敏感，是用来检测介质折射率变化的一种光学传感技术。
光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）是由于引入线缺陷（空气孔）而形成的波导，这种缺陷是在二维纤维的长度方向上制造，并且在缺陷处实现导光。与传统光纤相比，光子晶体光纤的包层是由沿轴向规则排列而成的许多周期性空气孔组成。由于空气孔的排列方式和孔径大小不同，使得其内部折射率变化极其灵活。基于光子晶体光纤的表面等离子体共振技术，因其纤芯折射率能够进行灵活设计和调控，易与表面等离子体模实现相位匹配而激发 SPR 现象，受到科研人员的密切关注。目前，相关科研人员虽然已提出了多种不同的 PCF-SPR 传感结构，但在他们所提出的结构中，金属薄膜选择镀在空气孔内侧或整个包层外侧，结果表明，工作在溶液环境下PCF-SPR探针的灵敏度并不高。
发明内容：
本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供一种工作在溶液环境下具有高灵敏度的双侧镀膜中空双芯光子晶体光纤表面等离子体共振探针。
本发明采用的技术方案为：一种中空双芯内外薄包层表面双侧镀膜PCF-SPR探针（PCF-SPR为光子晶体光纤表面等离子体共振的缩写），所述双侧镀膜中空双芯 PCF-SPR探针为光子晶体光纤、光子晶体光纤的包层内设有中心空气孔，中心空气孔的内壁上镀有内金膜，包层的外壁上镀有外金膜，两个纤芯位于内金膜和外金膜之间，且对称分布，形成双芯对称的光子晶体光纤。
进一步地，所述中心空气孔的内径为5mm。
进一步地，所述包层的外径为11mm。
进一步地，所述纤芯的半径为1.5mm。
进一步地，所述内金膜和外金膜厚度均为50nm。
进一步地，所述包层的背景材料折射率为1.43。
进一步地，所述纤芯的材料为二氧化硅。
进一步地，所述光子晶体光纤为折射率引导型光子晶体光纤。
本发明的有益效果：提供了一种中空双芯内外薄包层表面双侧镀膜PCF-SPR探针，PCF-SPR探针由大孔洞中空双芯光纤和金膜组成，所述光子晶体光纤的包层内设有大的中心空气孔，中心空气孔内壁和包层外壁镀有金膜，纤芯位于两侧金膜之间构成双芯对称的光子晶体光纤。探针的优点如：
（1）、双侧镀膜PCF-SPR探针能够使纤芯导模与两侧等离子体膜同时谐振；
（2）、双侧镀膜PCF-SPR探针共振现象与单侧镀膜相比显著增强；
（3）、双侧镀膜PCF-SPR探针的平均光谱灵敏度为22571.43nm/RIU；
（4）、双侧镀膜PCF-SPR探针的平均光谱灵敏度为单侧镀膜的20倍；
（5）、双侧镀膜PCF-SPR探针具有宽的工作波长范围：1000nm-3400nm；
（6）、双侧镀膜PCF-SPR探针结构简单，方便设计，易于实际应用。
附图说明：
图1是实施例一的立体结构示意图；
图2是实施例一的光子晶体光纤的横截面示意图；
图3是实施例一中空双芯PCF-SPR共振波长与待测溶液折射率对应关系图。
具体实施方式：
参照各图，一种中空双芯内外薄包层表面双侧镀膜PCF-SPR探针，所述双侧镀膜中空双芯 PCF-SPR探针为光子晶体光纤1、光子晶体光纤1的包层5内设有中心空气孔3，中心空气孔3的内壁上镀有内金膜2，包层5的外壁上镀有外金膜6，两个纤芯4位于内金膜2和外金膜6之间，且对称分布，形成双芯对称的光子晶体光纤；所述中心空气孔3的内径为5mm；所述包层5的外径为11mm；所述纤芯4的半径为1.5mm；所述内金膜2和外金膜6厚度均为50nm；所述光子晶体光纤1为折射率引导型光子晶体光纤；所述包层5的背景材料折射率为1.43；所述纤芯4的材料为二氧化硅。
该双侧镀膜中空双芯 PCF-SPR探针是利用涂敷在光纤表面的两层金膜作为传感层，将金膜涂覆在中心空气孔内壁和包层外壁上，待测溶液填充到内金膜内侧和外金膜外侧。当有光射入到光子晶体光纤1内部的时候，不同波长的光分别以特定的模式在光子晶体光纤1内沿着轴心方向传播，而表面等离子体波则是以固定的模式在金膜内传播。当光子晶体光纤内某一波长的光与金膜内的表面等离子体波的波矢相同时，金膜内会发生能量耦合，光子晶体光纤内的光能回耦合到金膜内，光子晶体光纤内的光能减少，即光子晶体光纤内发生了能量损耗。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。共振波长的大小随着内金膜内侧和外金膜外侧的待测溶液的折射率的变化而变化。当光子晶体光纤置于某种溶液时，通过计算共振波长的大小即可检测出待测溶液的折射率值，从而达到传感的目的。
通过有限元法建立本发明的传感模型，利用计算机对其传感情况进行仿真，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3所示。拟合直线的拟合公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
这里λ代表共振波长，单位为nm，n代表待测溶液折射率，单位为RIU。
本发明的平均光谱灵敏度可以通过下式求出
Figure DEST_PATH_IMAGE008
这里，Δλ代表共振波长的改变量，Δn代表待测液折射率的变化量。由此可以看出拟合直线公式的斜率即为本发明的平均光谱灵敏度，平均灵敏度的大小为22571.43nm/RIU。

Claims (1)

1.一种中空双芯内外薄包层表面双侧镀膜PCF-SPR探针，其特征在于：所述双侧镀膜中空双芯PCF-SPR探针为光子晶体光纤(1)、光子晶体光纤(1)的包层(5)内设有中心空气孔(3)，中心空气孔(3)的内壁上镀有内金膜(2)，包层(5)的外壁上镀有外金膜(6)，两个纤芯(4)位于内金膜(2)和外金膜(6)之间，且对称分布，形成双芯对称的光子晶体光纤；所述中心空气孔(3)的内径为5μm；所述包层(5)的外径为11μm；所述纤芯(4)的半径为1.5μm；所述内金膜(2)和外金膜(6)厚度均为50nm；所述光子晶体光纤(1)为折射率引导型光子晶体光纤；所述包层(5)的背景材料折射率为1.43；所述纤芯(4)的材料为二氧化硅；所述光子晶体光纤(1)为折射率引导型光子晶体光纤。
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