CN112098339A - 一种d型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器 - Google Patents

一种d型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可同时实现多参量(温度、磁场强度和折射率)检测用的D型光子晶体光纤(PCF)表面等离子体共振(SPR)的传感器。所述D型PCF在纤芯两侧的两个空气孔分别引入磁流体和温敏介质形成通道1和通道2。本发明在D形PCF的侧抛平面、通道1和通道2的内壁分别涂覆金属膜；利用SPR效应，形成折射率传感通道；利用磁流体的磁光效应，形成磁场传感通道；同时利用温敏介质的温敏效应，形成温度传感通道，从而设计实现温度、磁场强度和折射率的多参量同时检测的传感器。本发明的优点是：克服传统光纤传感器单一测量的不足，实现了多参量同时检测；另外，D型结构减少了传感器与纤芯的距离，使传感器迅速检测待测液变化，实现高灵敏度传感。

Description

一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器
技术领域
本发明涉及光纤SPR传感领域，特别是一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器。
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面的一种物理光学现象。当入射光在金属介质界面处发生全内反射产生的倏逝波与表面等离子体波满足相位匹配条件时会发生共振，导致入射光能量大量耦合到表面等离子体波中，导致入射光的能量急剧下降，从而在损耗谱上出现损耗共振峰。SPR现象可以显著提高损耗峰的强度、改善损耗峰的位置、和提高传感器的灵敏度等，而且SPR现象对周围介质折射率(refractive index,RI)的变化极为敏感，使得SPR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。
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)又被称为多孔光纤或微结构光纤(Micro-Structured Fiber,MSF),按照其导光机理一般可分为折射率导光型机理和光子能隙导光机理。本发明所用光纤为折射率导光型光纤，主要特征是在端面呈D型的光纤结构中，通过在光纤包层中引入空气孔，来产生包层和纤芯间的折射率差，从而使得光可以在全内反射的作用下保持在纤芯中传播。其中，利用对光纤的激光刻蚀和光纤研磨抛光技术可以将圆形光纤制成D型光纤，然后在抛光面上进行金属膜的涂覆，用以制成基于D型光纤的光子器件；这种D型光纤由于抛光面上的金属膜能更好地接触到待测液体，使得传感器迅速感知待测液体的变化，从而实现高灵敏度传感。当待测液体折射率发生改变时，损耗峰的共振波长发生偏移，通过检测共振波长的移动来实现环境参数变化量的测量。这也是当前研究的热点领域之一。
随着光纤SPR传感和MFs技术的发展，诸多学者开始研究采用光纤SPR传感技术和MFs填充方式实现磁场传感。2016年，Weng等人提出一种基于SPR效应和MFs填充的磁场传感器，可实现30～210.9Oe磁场强度范围内的传感，且灵敏度可达1.063nm/Oe。2017年，Liu等人提出了一种基于双通道光纤的双参量SPR传感器，并在两个通道内同时填充MFs，以实现温度与磁场的双参量传感，传感器的磁场灵敏度达到1.08nm/mT，温度灵敏度达到-0.2269nm/℃。2018年，Liu等人提出一种基于D型PCF和SPR的磁场传感器，利用SPR和定向耦合技术相结合的方式，通过在金属膜上流通MFs和在空气孔中填充甲苯进行温度补偿，实现了双参量传感，该传感器具有的磁场灵敏度为0.87nm/mT。
为克服传统光纤传感器单一测量的不足，本发明提出了一种利用混合传感机制，实现了磁场强度、温度、折射率三参量同时测量的D型SPR传感器。该传感器设计新颖，结构简单，检测范围宽，抗腐蚀能力强，灵敏度高，集成度高等优点，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，是一种实用的SPR多参量传感器。
发明内容
为了解决传感检测参数单一的局限，且灵敏度有待提高的问题，本发明主要提供一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器。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，并进一步缩短待测液体与纤芯的距离，加强SPR从而提高传感器的检测灵敏度。另外，通过在纤芯左边空气孔内壁涂覆金属膜并填充磁流体，利用磁流体的磁光效应和SPR效应形成磁场传感通道，在纤芯右侧空气孔内壁涂覆金属膜并填充温敏介质PDMS，利用温敏介质的温敏效应和SPR效应形成温度传感通道。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，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。
本发明通过以下技术方案实现的：
具体地，本发明提出一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，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)、纤芯(2)、金属膜(3)、磁流体Fe3O4(4)、温敏介质PDMS(5)、分析物传感区(6)、空气孔(7)和完美匹配层(8)组成；
所述内部空气孔由四层平行排列的19个空气孔组成，其中第一层的四个空气孔与纤芯、通道1和通道二在一条水平直线上，左右各两个；第二层空气孔设置有6个，第三层有5个，第四层有四个，第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔最外层的空气孔的圆心以此连接后为一个正六边形的一半；
所述空气孔的设置用来调节包层和纤芯的相对折射率差异，从而限定光在纤芯内按照全内反射原理进行传导；
所述纤芯(2)和光纤基底的材料为熔融二氧化硅，其折射率可根据Sellmeier方程算出。
所述纤芯(2)左侧的空气孔填充有磁流体Fe3O4形成的通道1(4)，纤芯(2)右侧的空气孔填充有温敏介质PDMS形成的通道2(5)，通道1(4)和通道2(5)关于纤芯(2)相互对称，其内壁分别涂覆有金属膜(3)，其中金属膜厚度为40nm。
所述温敏介质建议为PDMS，其具有无毒、不易挥发、生物相容性好等优点，且PDMS的热光系数远远大于石英光纤的热光系数，使得温度对光纤折射率基本不产生影响，也可以用甲苯、甘油和乙醇等代替。
所述磁流体建议用Fe3O4，其由水和Fe3O4混合而成，混合体积比为3％，也可以用Fe2O3、Fe、CoFe2O4和MnFe2O4等混合基载液代替。
所述光子晶体光纤(1)的空气孔的间距为16um，空气孔直径为6.4um。
所述第一层空气孔至第四层空气孔最外层的空气孔的圆心的连线为一个正六边形的一半，所述第一层空气孔至第四层空气孔次外层的空气孔的圆心的连线同样形成一个正六边形的一半，相邻的三个空气孔分布均呈正三角形晶格结构。
所述待测分析液体的折射率分析范围为1.36～1.43。
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D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器的传感要求。
2、本发明所使用的磁光介质Fe3O4在磁场强度为H＝20Oe～350Oe范围内磁场灵敏度为137.77pm/Oe。温敏介质PDMS在温度T＝20℃～60℃范围内，通道1有-466.67pm/℃的温度灵敏度,而通道2能获得-3666.7pm/℃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1.36～1.43的高灵敏度传感。且在折射率区间1.42～1.43内，传感性能最大光谱灵敏度达到了66000nm/RIU，远高于传统光纤传感器。
附图说明
图1为本发明的光纤截面示意图。
图2为本发明在不同温度条件下(T＝20～60)的损耗谱曲线图。
图3为本发明在温度变化时共振波长偏移量曲线图。
图4为本发明在不同磁场强度范围(H＝20～350)的损耗谱曲线图。
图5为本发明在磁场变化时共振波长偏移量曲线图。。
图6为本发明在不同外界折射率时(n＝1.36～1.43)的损耗谱曲线图。
图7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、纤芯，3、金属膜，4、磁流体Fe3O4，5、温敏介质PDMS，6、分析物传感区，7、空气孔，8、完美匹配层。
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，尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
具体地，如图1所示，本发明提供一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，其由光子晶体光纤(1)、纤芯(2)、金属膜(3)、磁流体Fe3O4(4)、温敏介质PDMS(5)、分析物传感区(6)、空气孔(7)和完美匹配层(8)组成。
纤芯(2)和光纤基底的材料为熔融二氧化硅，其折射率可根据Sellmeier方程算出
内部空气孔由四层平行排列的19个空气孔组成，其中第一层的四个空气孔与纤芯、通道1和通道2在一条水平直线上，左右各两个；第二层空气孔设置有6个，第三层有5个，第四层有四个，第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔最外层的空气孔的圆心以此连接后为一个正六边形的一半；第一层空气孔至第四层空气孔次外层的空气孔的圆心的连线同样形成一个正六边形的一半，相邻的三个空气孔分布均呈正三角形晶格结构。
空气孔的间距为16um，空气孔直径为6.4um。
空气孔的设置用来调节包层和纤芯的相对折射率差异，从而限定光在纤芯内按照全内反射原理进行传导。
对光子晶体光纤侧抛光形成D型光纤，在侧抛平面表面涂覆金属膜(3)，其中金属膜的厚度为50nm。
本实施例中待测样品的折射率范围为n＝1.36～1.43。
如图2所示，在不同温度条件下T＝20～60，记录传感器的损耗随波长变化的曲线图，可以发现，通道1和通道2的共振峰值都随温度的增加而减小，同时共振波长向短波长方向移动；这是由于磁流体的温敏系数为负值，所以随着温度的增加，共振波长发生蓝移；同样的，PDMS的折射率随着温度的增加而降低，从而使得共振波长发生蓝移，所以此时通道1和通道2相对应的温度灵敏度为负值。
通道1和通道2的共振波长偏移量随温度变化的曲线如图3所示，此时，通道1的线性拟合表达式为Δλ1T＝-0.46667ΔT+2.66667，温度灵敏度为-466.67pm/℃,线性度达到0.81667。通道2的线性拟合表达式为Δλ2T＝-3.6667ΔT-7.77778，温度灵敏度为-3666.7pm/℃,线性度达到0.98427。
如图4所示，在不同磁场强度条件下H＝20～350，记录传感器的损耗随波长变化的曲线图，可以发现，通道1的共振峰值随着磁感应强度的增加而增加，同时共振波长向长波长方向移动，而通道2填充的PDMS材料对磁场不敏感，故其损耗谱峰值和共振波长不受磁感应强度的影响。
如图5所示，描述通道1和通道2共振波长偏移量随磁感应强度的变化情况，通道1的共振波长偏移量随磁感应强度的增加而增加，其线性拟合度为Δλ1H＝0.13777ΔH+0.80071，磁场灵敏度为137.77pm/Oe，线性度为0.95735；通道2的共振波长与磁场强度无关。
而由图3和图5我们得到传感器通道1和通道2的温度灵敏度分别为-466.67pm/℃和-3666.7pm/℃，磁场强度灵敏度分别为137.77pm/Oe和0pm/Oe，将所得的灵敏度系数带入公式，即可获得检测外界温度改变量和磁场强度改变量的传感矩阵：
Figure BDA0002597171900000051
故通过测量传感的两个通道波矢匹配点的偏移量，再根据公式(1)即可实现两个参量的同时传感。
如图6所示，描述待测液体的折射率范围为1.36～1.43时，传感器的损耗随波长变化的曲线图，可以发现，随着待测液体折射率的增大，SPR的损耗谱峰值越来越大，同时共振波长向着长波长方向移动。而通道1和通道2的损耗谱峰值和共振波长不受待测液折射率变化的影响。
如图7所示，描述SPR共振波长随折射率的变化情况，通过测量当折射率Δn改变时，吸收峰的偏移量Δλpeak计算灵敏度：S(λ)＝Δλpeak/Δn，当折射率n从1.36以步长为0.01依次变化到1.43时，由图7我们可以知道，损耗峰的峰值偏移量分别为30、40、50、60、90、160和660nm，灵敏度分别为3000、4000、5000、6000、9000、16000、66000nm/RIU，平均光谱灵敏度为15571.43nm/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＝Δn×Δλmin/Δλpeak(RIU)≈6.42×10-6(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，能具体和灵活地选择参数及材料，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金属膜建议为：金膜；磁流体建议为：Fe3O4；温敏介质建议为：PDMS。
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D型光纤传感器。
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 (9)

1.一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，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)、纤芯(2)、金属膜(3)、磁流体Fe3O4(4)、温敏介质PDMS(5)、分析物传感区(6)、空气孔(7)和完美匹配层(8)组成；
所述内部空气孔由四层平行排列的19个空气孔组成，其中第一层的四个空气孔与纤芯、通道1和通道二在一条水平直线上，左右各两个；第二层空气孔设置有6个，第三层有5个，第四层有四个，第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔最外层的空气孔的圆心以此连接后为一个正六边形的一半；
所述空气孔的设置用来调节包层和纤芯的相对折射率差异，从而限定光在纤芯内按照全内反射原理进行传导。
2.根据权利1所述的一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，其特征在于：所述纤芯(2)和光纤基底的材料为熔融二氧化硅，其折射率可根据Sellmeier方程算出。
3.根据权利1所述的一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，其特征在于：所述光子晶体光纤(1)的侧抛平面为D型，表面涂覆有金属膜(3)，其中金属膜的厚度为50nm，宽度以刚好将D型表面覆盖住为准。
4.根据权利1所述的一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，其特征在于：所述纤芯(2)左侧的空气孔填充有磁流体Fe3O4形成的通道1(4)，纤芯(2)右侧的空气孔填充有温敏介质PDMS形成的通道2(5)，通道1(4)和通道2(5)关于纤芯(2)相互对称，其内壁分别涂覆有金属膜(3)，其中金属膜厚度为40nm。
5.根据权利1或4所述的一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，其特征在于：所述温敏介质建议为PDMS，其具有无毒、不易挥发、生物相容性好等优点，且PDMS的热光系数远远大于石英光纤的热光系数，使得温度对光纤折射率基本不产生影响，也可以用甲苯、甘油和乙醇等代替。
6.根据权利1或4所述的一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，其特征在于：所述磁流体建议用Fe3O4，其由水和Fe3O4混合而成，混合体积比为3％，也可以用Fe2O3、Fe、CoFe2O4和MnFe2O4等混合基载液代替。
7.根据权利1所述的一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，其特征在于：所述光子晶体光纤(1)的空气孔的间距为16um，空气孔直径为6.4um。
8.根据权利1或权利7所述的一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，其特征在于：所述第一层空气孔至第四层空气孔最外层的空气孔的圆心的连线为一个正六边形的一半，所述第一层空气孔至第四层空气孔次外层的空气孔的圆心的连线同样形成一个正六边形的一半，相邻的三个空气孔分布均呈正三角形晶格结构。
9.根据权利1所述的一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，其特征在于：所述待测分析液体的折射率分析范围为1.36～1.43。
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