CN112268873A - 一种基于双芯双侧抛型pcf-spr传感器 - Google Patents

一种基于双芯双侧抛型pcf-spr传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于双芯双侧抛型PCF‑SPR传感器，该传感器由一段包层二边侧抛的双芯PCF、金膜，和二维材料石墨烯组成。本发明利用双芯双侧抛型PCF侧抛面上的金膜产生的SPR对待测介质折射率变化十分敏感的特性，来实现传感。当待测介质折射率的发生变化时，其损耗峰会发生偏移，通过测量损耗峰值的偏移量来实现高灵敏度的PCF‑SPR传感器的传感测量，测出待测溶液的折射率。本发明的优点是：双侧抛型PCF的侧抛面增大对待测溶液的接触面，增强纤芯倏逝场的泄露，增强SPR效应，石墨烯涂覆金膜的设计能够显著提高传感器的灵敏度，实现该传感器对待测液体折射率的测量。该传感器结构和工艺简单，体积小，灵敏度高，具有良好传感特性。

Description

一种基于双芯双侧抛型PCF-SPR传感器
(一)技术领域
本发明涉及一种基于双芯双侧抛型光子晶体光纤(pohotonic crystal fiber,PCF)表面等离子体共振传感器，属于光子晶体光纤、光纤传感领域。
(二)背景技术
光纤在通信中起着至关重要的作用。传统光纤通过全内反射机制传导光波，要求光纤纤芯的折射率必须高于周围包层折射率；另外，传统光纤还有弯曲损耗、色散及输人功率不高等问题，造成较大的传输损耗。由于光子晶体的光子带隙保证了能量的无损失传输，而且不会出现延迟等影响数据传输率的现象，因此，利用光子晶体制作的新型光纤——光子晶体光纤在这方面就有显著的优势。PCF的空芯结构为光纤传感发展提供了新的选择，可以在多孔结构的PCF中通入气体或液体，使其与气孔表面的倏逝波相互作用，这些物质对温度、压力、磁场等外界条件变化更为敏感。近年来SPR被引入PCF中，成为研究的热点。
表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)是一种物理光学现象，由入射光波和金属导体表面的自由电子相互作用而产生。随着SPR技术的发展，人们将PCF技术与SPR结合起来发明了PCF-SPR传感器。PCF-SPR传感器有很多的有点，首先灵敏度高，本发明利用SPR效应，通过外界待测介质折射率的变化影响共振波长峰值的移动，来实现传感检测。再者，由于PCF结构简单多变，有很强的塑造性，可进行远距离的传播。重要的是还可以与计算机连接，对现在的智能化发展具有促进作用。除此之外，它还能“实时”检测和分析不同的生物和化学物质浓度。鉴于以上优点，PCF-SPR传感器有着广泛的应用。
由于传统的填充型PCF-SPR传感器一般是在空气孔或者金属镀层孔填充待测物质，传感器的使用与调节变得复杂；而双侧抛型PCF-SPR传感器因其结构特殊，易制造，能够保证对外界环境变化的敏感性，待测物质与金属层直接接触且易更换，故而双侧抛型传感器在众多传感领域中的应用更广阔PCF-SPR传感器是利用SPR原理，采用PCF作为波导介质。利用一束光在两种不同介质分界面处发生全内反射时产生的倏逝波，激发金属表面的自由电子产生表面等离子体共振。产生的倏逝波从光密介质进入光疏介质中，而金属表面又存在一定的等离子波，二种波在一定条件下会发生共振，此时倏逝波的能量耦合到等离子波中，入射光的能量被吸收，使得反射光强相应曲线出现一个峰，即共振吸收峰。 PCF感器利用这一现象，通过分析外界待测介质折射率的变化影响共振吸收峰值的偏移量，检测外界待测物质折射率的变化，计算出该传感器的灵敏度。
由于PCF-SPR传感器其结构设计的灵活性及其优点，沿传播方向有排列规则分布的直径为波长量级的空气孔，近年来PCF-SPR传感器克服了耦合损耗大、保偏性差的缺点而被很多研究者青睐。2015年，Ahmmed A.Rifat等人提出了一种光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器，该传感器在分析物折射率为1.33～1.37的范围内，显示了光谱灵敏度为2000nm/RIU。2015年Dash等人描述了一种基于石墨烯的D 形PCF-SPR生物传感器。2017年Md.RH等人设计了一种高灵敏度镀金PCF传感器，该传感器在光纤表面镀上一圈金膜做传感层，该传感器在分析物折射率为1.33～1.36 的范围内，显示了光谱灵敏度为2200nm/RIU。。
本文设计了一种新的结构，对折射率的测量具有更高的灵敏度。设计一种新型的基于双芯双侧抛镀金膜的PCF-SPR传感器，该PCF-SPR传感器的结构在传统光纤传感器的基础上加以改进，在双芯对应二侧抛磨一定深度，二边抛磨面上镀一层金膜作为SPR 的激发材料，金膜与待测溶液接触，改变待测物质折射率，当等离子模式折射率大于基模折射率，光纤纤芯能量不断向金膜层转移，损耗逐渐升高；当损耗达到最大值，且基膜折射率实部与等离子体模折射率实部相等，发生了相位匹配，光纤纤芯能量大部分被金膜层吸收；当入射波长继续增加时，基膜折射率大于等离子模折射率，此时SPR效应不断减弱，能量开始从金膜层转移到纤芯中，损耗不断减少。通过合理的设置PCF的数值孔径及金膜的厚度，可以得到一个最佳的灵敏度物理参数，从而实现传感器在折射率范围内有着高灵敏度和高精度的PCF-SPR传感测量。
折射率传感器研究有重要的意义，因为相对于其他传感器，而该PCF-SPR传感器结构和工艺简单，体积小，灵敏度高，测量精度高，可以在折射率范围内有好的传感效果的实用传感器。
(三)发明内容
针对上述问题，本发明主要是提供一种结构简单工艺易于实现，稳定性好、分辨率高的PCF-SPR传感器。
本发明通过以下技术方案实现的：
双芯光子晶体光纤结构由两个气孔环组成，对于圆晶格PCF的第一个环，气孔以60°逆时针方向逐渐旋转，第二个环由气孔逆时针旋转30°形成，中间的气孔做的相对较小，为了使倏逝波和等离子波相位匹配更容易。采用侧抛的技术，把一段双芯PCF光纤包层二边侧抛，在侧抛区即传感区上镀上一层金膜，所述的金膜在双侧抛型PCF的轴向延伸的平滑表面上，金膜直接接触待测液体区。
近一步地，所述双芯双侧抛型PCF的大空气孔直径d＝0.4∧，小空气孔直径 dc＝0.4∧，空气孔的间距∧＝2um，所述D型PCF的轴向延伸的平滑表面到其纤芯的距离为 H＝4um，金膜的厚度为tg＝40nm。
近一步地，在PCF-SPR传感器的侧抛面加载待测介质，由于金膜对待测介质折射率变化十分敏感，当待测介质折射率发生微小变化时，损耗吸收峰位置会发生改变，我们通过测量损耗吸收峰位置的偏移量解调出待测介质折射率的变化，计算出在低折射率范围内的灵敏度。
本文设计的双芯双侧抛型PCF-SPR传感器建构简单，避免了孔内镀膜的复杂工艺，双芯双侧抛型PCF增强了纤芯的倏逝波，进一步增强SPR效应，有效实现了折射率范围内高灵敏度的传感检测。利用该模型结构制成的双芯双侧抛型PCF-SPR传感器在有效折射率为1.33～1.37范围内能实现高灵敏度检测，平均光谱灵敏度为2500nm/RIU。
(四)附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明的截面图。
图3为本发明在折射率区间(n＝1.33～1.37)损耗谱曲线图。
图4本发明的金膜厚度变化时的损耗谱曲线图。
图5为本发明的空气孔间距变化时的损耗谱曲线图。
图6为本发明的振幅灵敏度随波长变化的曲线图。
图中标号为：1、光子晶体光纤，2、空气孔，3、石墨烯涂覆金膜的传感区，4、待测液体区。
(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。
本发明是基于一种石墨烯涂覆金膜的双芯双侧抛PCF-SPR传感器，如图1所示，采用纤芯包层结构，材料是硅材料，由一段双芯PCF包层对应二边侧抛一定深度形成侧抛区，石墨烯涂覆的金膜区即传感区(3)，(1)为光子晶体光纤，(4)为待测液体区。通过抛磨的方法在PCF光纤包层对应二边分别抛磨出一个平面为传感层，距离纤芯的距离为4um，在抛磨平面上涂覆一定厚度的金膜作传感层。本发明双芯双侧抛PCF-SPR传感器，将二维材料石墨烯引入PCF传感器中，可以有效的提高传感器的灵敏度，双侧抛型结构设计增大与待测液体的接触面积，增强SPR效应，使该传感器在低折射率范围内具有更佳的探测效果。为了获得一个最佳的传感灵敏度，可以优化空气孔间距、空气孔的直径、金膜厚度等参量，实现该传感器在低折射率范围有高灵敏度的传感测量。该PCF-SPR 传感器具有体积小、低折射率范围内灵敏度高、不易受外界环境的影响的优点，可应用在医学诊断、生物化学浓度检测、海洋环境监测、食品安全等领域。
上述基于双芯双侧抛PCF-SPR传感器的制备过程：把一段PCF包层二边抛磨一定深度，使得抛磨后的平滑表面距离纤芯的距离为4um，在PCF侧抛表面镀厚度为40nm 的金膜。
金作为常用的等离子体材料，其相对介电常数εAu可以由Drude模型加以描述：
Figure BDA0002449020440000041
εAu(ω)为金的介电常数，ε∞为无限频率的介电常数，ε0为真空介电常数，ω为角频率，σ为电导率，Aρ、Bρ和Cρ为色散系数。
石墨烯的光学折射率可表示为：
Figure BDA0002449020440000043
C＝5.446um-1
单层石墨烯的厚度为0.34um。
在本发明实例中，采用双侧抛型PCF以增强纤芯的倏逝波，表面等离子共振效应也会增强，二个侧抛平面镀一定厚度的金膜作为传感层检测待测溶液的折射率，增加与待测溶液的接触面提高了传感测量精度。相对于其他高折射率的传感器研究，测量折射率的传感器，该传感器避免了空气孔镀膜或灌注待测液体，降低了工艺制造的难度，应用更广泛。本发明需要将一段PCF光纤包层二侧侧抛一定深度，传感区为侧抛平面上涂覆的金膜,金膜厚度范围在40～50nm之间变化。
通过改变空气孔的半径、金膜厚度、外界待测介质折射率等结构参数，共振吸收峰的位置会发生变化；通过检测共振吸收峰的偏移量，可以解调出该传感器此时的灵敏度，达到实时监测的功能；通过合理的优化结构参数，能得到一个最佳的灵敏度。
计算灵敏度的公式为：
Figure BDA0002449020440000051
其中Δλ为共振吸收峰波长改变量，Δn为外界待测介质折射率的改变量。
计算振幅灵敏度的公示为：
Figure BDA0002449020440000052
其中α(λ,n)是被测介质折射率等于n时的总损耗，θα(λ,n)是由于被测介质折射率的微小变化引起的两个相邻损耗谱之间的差值，θn是被测介质折射率的变化。
采用波长调制法，波长的变化范围为500～750nm，利用基于全矢量有限元法(FEM)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，我们固定金膜厚度，空气孔直径，孔间距，改变待测介质折射率，可以得到不同的损耗光谱图，损耗吸收峰所在的位置，就表示该波长下发生了SPR现象。在低折射率区间(n＝1.33～1.37)可以看出随着待测样品折射率的增加，吸收峰发生红移，当折射n从1.33变化到1.34、1.35、1.36和1.37时，损耗峰的峰值偏移量分别为20、20、 25和35nm。灵敏度分别为2000、2000、2500和3500nm/RIU，在折射率区间(n＝1.33～1.36) 最大波长灵敏度为3500nm/RIU，平均灵敏度为2500nm/RIU。使用分辨率0.1nm的高精度光谱仪，测得传感器的最小分辨率为4.0×10-5RIU。
如图4所示，固定空气孔半径、金膜厚度和待测介质折射率，石墨烯的厚度为一层的条件下，金膜厚度tg从40～50nm增加时，αLoss减小，对应损耗普峰值波长红移，相应的共振损耗峰的FWMH变宽。这是因为表面等离子波对金属传感层的厚度变化非常敏感，随着金膜厚度的增加，相位匹配点向长波长方向移动。
如图5所示，在固定其他参数不变的情况下，改变孔间距的大小，该传感器结构的光谱损耗图。随着孔间距的增大，损耗峰波长不变，αLoss降低。这是因为空气孔间距代表空气填充率，空气填充率增大在不会影响产生SPR的条件下降低了光在光子晶体光纤中的限制损耗。
如图6所示，显示了D型PCF-SPR传感器的振幅灵敏度随波长的变化。展示了 1.33至1.34、1.34至1.35、1.35至1.36和1.36至1.37的分析物折射率在波长为650、670、 685和720nm的振幅灵敏度分别为89、144、204和256RIU-1。
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 (4)

1.一种基于双芯双侧抛型PCF-SPR传感器，如图1所示，包括光纤传感器本体，其特征在于：所述光子晶体光纤(PCF)传感器本体由光子晶体光纤(1)、石墨烯涂覆金膜的传感区(3)和待测液体区(4)组成。通过抛磨的方法在PCF包层二边分别磨出一个侧抛区，侧抛面上涂覆一定厚度的金膜作传感区，在金膜表面涂覆石墨烯。所述双芯双侧抛型PCF的大空气孔直径d＝0.4∧，小空气孔直径dc＝0.4∧，空气孔的间距∧＝2um，所述D型PCF的轴向延伸的平滑表面到其纤芯的距离为H＝4um，金膜的厚度为tg＝40nm。
本发明的光纤传感器的二维结构如图2所示，包括光子晶体光纤包层二边抛磨面镀一定厚度金膜，形成测量待测介质的传感层，表面涂覆石墨烯，增加该传感器的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯涂覆金膜的双芯双侧抛型PCF-SPR传感器，其特征在于：光子晶体光纤(1)的侧抛面为二边抛磨型增强SPR效应，侧抛面镀一定厚度的金膜传感，引进了二维增敏材料石墨烯，涂覆在金膜表面，用于增强该传感器检测待测介质折射率的传感特性。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯涂覆金膜的双芯双侧抛型PCF-SPR传感器，其特征在于：光子晶体光纤(1)的空气孔(2)的直径为0.4∧，小空气孔直径为0.4∧，空气孔的间距∧为2um，石墨烯的层数为一层。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯涂覆金膜的双芯双侧抛型PCF-SPR传感器，其特征在于：波长在可见光区域，该传感器二个侧抛面的设计对待测介质的细微变化及其敏感的特性，当待测介质折射率发生变化时，会影响共振吸收峰的位置变化，通过测量共振吸收峰的位置变化解调出待测介质的折射率的变化，从而计算出该传感器的灵敏度。
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