CN112432925A - 基于spr的d型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供了基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法，由宽带光源、偏振器、流通池、D型光子晶体光纤、单模光纤、光谱分析仪和计算机组成；光纤折射率传感器位于流通池内，流通池内有控制液体分析物的入口和出口；D型光子晶体光纤侧面抛光表面涂覆银掺杂氧化锌薄膜，与D型光子晶体光纤熔接的单模光纤、涂覆银掺杂氧化锌薄膜的D型光子晶体光纤一起构成所述基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置的探头。利用SPR传感机制，将液体分析物折射率RI的微小变化转换成可测量的损耗峰的变化，实现折射率传感，具有灵敏度高、设计灵活、结构紧凑、稳定性强等优点，在生化分析物检测、水污染监控中具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法。
背景技术
表面等离子体共振(SPR)存在于金属和介质(或空气)之间，利用全反射倏逝波激发表面等离子体极化激元(SPP)。SPR传感技术因其灵敏度高、无背景干扰、样品无标签、无需进一步纯化、实时快速检测等特点，已经成为监测分析物的折射率、过滤特定频率的光和检测纳米生物膜的形成的多功能工具。近年来，基于光子晶体光纤(PCF)的SPR传感器的概念已被提出。光子晶体光纤的特点是其设计的灵活性，因此可以通过不同的气孔布置来定制色散、双折射、非线性等。这些方面使得光子晶体光纤在许多领域特别引人注目，并在基于气体的非线性光学、原子和粒子制导、超高非线性、掺稀土激光和传感等领域有广泛的应用。PCF-SPR传感器可以实现等离子体模式和基模模式的完美匹配，因为基模的有效折射率可以设计为零到核心材料的折射率之间，在折射率检测方面具有很高的灵敏度和分辨率。克服了基于棱镜和传统光纤的SPR传感器体积大、传输损耗高、灵敏度低的缺点。
侧边抛磨光子晶体光纤是利用光纤研磨抛光技术除去部分包层的光纤元件，既能保持传统光纤的优势，又能使光纤内传导模式通过抛磨区泄露出来用以其他的应用，例如利用倏逝波应用于传感器领域等。J.J.Wu等人(J.J.Wu,S.G.Li,M.Shi,X.X.Feng,Photoniccrystal fiber temperature sensor with high sensitivity based on surfaceplasmon resonance,Optical Fiber Technology,2018,43:90-94)提出一种基于SPR的PCF温度传感器，采用金属金作为SPR激发材料，固体纤芯下方的四个小气孔和一个大气孔用于产生双折射，测量温度范围为10-85℃(折射率范围为1.336-1.3696)；N.Chen等人(N.Chen,M.Chang,X.L.Lu,J.Zhou and X.D.Zhang,Numerical Analysis of Midinfrared D-ShapedPhotonic-Crystal-Fiber Sensor based on Surface-Plasmon-Resonance Effectfor Environmental Monitoring,Applied Sciences,2020,10(11):3897)提出一种工作在近红外波段(2.9-3.6μm)、用于环境监测的基于SPR效应的D型PCF折射率传感器，分析物与金层直接接触，而且环绕整个D型PCF，而不是只接触抛光面，包层材料是硅，包层中的三层气孔按照六边形晶格排列；M.N.Sakib等人(M.N.Sakib,M.B.Hossain,K.F.Al-tabatabaie,I.M.Mehedi,M.T.Hasan,M.A.Hossain,I.S.Amiri,High Performance Dual Core D-ShapePCF-SPR Sensor Modeling Employing Gold Coat,Results in physics,2019,15:102788)提出采用金涂层、固体双芯的D型PCF-SPR传感器，分析物折射率范围为1.45-1.48，两个固体纤芯与y轴对称，双芯能量与金属层能量耦合较困难，适用的探测范围较窄；S.Singh等人(S.Singh,Y.K.Prajapati,Highly sensitive refractive index sensorbased on D-shaped PCF with gold-graphene layers on the polished surface,Applied Physics A,2019,125:437)提出一种在抛光表面涂有金和石墨烯层的D型PCF折射率传感器，在固体纤芯x方向放置两个大空气孔，研究x方向偏振光发生耦合时的限制损耗谱；A.A.Rifat等人(A.A.Rifat,G.A.Mahdiraji,D.M.Chow,Y.G.Shee,R.Ahmed andF.R.M.Adikan,Photonic Crystal Fiber-Based Surface Plasmon Resonance Sensorwith Selective Analyte Channels and Graphene-Silver Deposited Core,Sensors,2015,15(5):11499-11510)提出一种D型光子晶体光纤SPR折射率传感器，采用银作为SPR激发材料，在探测范围1.46-1.49内的最大波长灵敏度为3000nm/RIU，该传感器不仅探测范围较窄，而且不能满足高灵敏度的要求。
发明内容
虽然上述研究者对上述抛磨光子晶体光纤做了相关的研究和改进，但是由于其采用纯金属作为SPR激发材料，纯金属在潮湿环境的氧化性较差，而且非常薄的金属层可能从玻璃纤维脱落，导致限制光的能力减弱、分析物检测的准确性降低，即使添加石墨烯，由于阻尼的存在，也会导致SPR模式激发减弱。所以其传感灵敏度、探测范围以及实用性受到很大的局限性。为了解决现有技术的缺陷，本发明提出一种结构紧凑、灵敏度较高、探测范围较宽、符合实际生产的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
技术方案：基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法，其特征在于，由宽带光源(1)、偏振器(2)、流通池(3)、D型光子晶体光纤(4)、单模光纤(5)、光谱分析仪(6)和计算机(7)组成；所述光纤折射率传感器位于流通池(3)内，流通池(3)内有控制液体分析物的入口(8)和出口(9)；
所述D型光子晶体光纤(4)侧面抛光表面涂覆银掺杂氧化锌薄膜，与所述D型光子晶体光纤(4)熔接的单模光纤(5)、涂覆银掺杂氧化锌薄膜的D型光子晶体光纤(4)一起构成所述基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置的探头；
所述D型光子晶体光纤(4)包括：包层(10)、25个位于包层中的空气孔；其特征在于，空气孔(11)和空气孔(12)以原点为中心分别旋转20°、40°、60°、79°，再镜像形成第一层空气孔、第二层空气孔；空气孔(13)以原点为中心分别旋转20°、40°，再镜像形成第三层空气孔；椭圆空气孔(14)位于y轴(空)纤芯处；
所述D型光子晶体光纤(4)侧面抛光表面涂覆银掺杂氧化锌薄膜的制备方法为：将60mL醋酸锌无水乙醇溶液(0.015M)和30mL氢氧化钠无水乙醇溶液(0.0225M)在烧杯中混合搅拌2小时，制得种子溶液；将纯氧化锌的种子溶液与300mL的硝酸锌溶液(0.03M)和300mL的六甲基四胺溶液(0.03M)混合搅拌；通过混合和搅拌150毫升硝酸锌(0.008M，0.0076M，0.0072M，0.0068M，0.0064M，0.006M)水溶液，150毫升硝酸银(0.024M，0.0248M，0.0256M，0.0264M，0.0272M，0.028M)水溶液和六次甲基四胺300毫升(0.03M)溶液获得不同浓度的银掺杂氧化锌(60％～70％)纳米材料。
进一步地，所述D型光子晶体光纤(4)的包层空气孔间距Λ为10-12μm，包层直径D为100μm，空气孔(11)、空气孔(12)和空气孔(13)的直径d1、d2和d3分别为8.55-9.45μm、6.65-7.35μm、4.75-5.25μm；椭圆空气孔(14)的短轴a和长轴b分别为3μm和7μm。
进一步地，所述D型光子晶体光纤(4)的包层材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义。
进一步地，所述液体分析物是通过混合不同质量比的蔗糖和去离子水获得，由阿贝折射仪测量。
基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法，其特征在于：采用堆叠-拉丝技术制备光子晶体光纤，然后在V型槽中进行抛磨加工成D型光子晶体光纤(4)，利用射频磁控溅射方法可以得到所述的涂覆银掺杂氧化锌薄膜的D型光子晶体光纤(4)；
所述的堆叠-拉丝技术为：首先对石英套管进行预处理，在超净环境下按照参数拉制毛细管，拉制温度为1900℃-2000℃，之后对毛细管两端用氢氧焰进行拉锥封孔，在石英套管中将毛细管按照设计要求堆积形成所需的结构，用纯石英棒对空隙进行填充，利用氧炔火焰将石英套管与毛细管烧结在一起，在拉丝塔上使用两次拉丝技术制成光子晶体光纤；
所述的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法，其传输路径如下：所述宽带光源(1)经过偏振器(2)变成y偏振光，通过流通池(3)传输到D型光子晶体光纤(4)，由D型光子晶体光纤(4)输出由单模光纤(5)输入至光谱分析仪(6)，光谱分析仪(6)的输出端连接计算机(7)，其特征在于：
所述银掺杂氧化锌薄膜表面激发的等离子体波波矢与入射光场的波矢在特定的波长范围内达到相位匹配，发生耦合，出现共振损耗峰，表面等离子体共振(SPR)对介质环境十分敏感，液体分析物折射率RI变化会使共振条件发生变化，导致共振损耗峰发生明显变化，可以实现高灵敏度、实时性探测，在液体分析物折射率RI为1.40-1.41时，所述的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器达到最大灵敏度6000nm/RIU，分辨率为1.667×10- 5RIU。
结构发明：基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：
1、本发明所述的D型光子晶体光纤包层上的椭圆空气孔(14)位于y轴(空)纤芯处，极大地增加了双折射特性以及色散特性，有利于偏振态的保持，可广泛应用于偏振控制、精密光纤传感等领域。
2、本发明所述的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器，采用银掺杂氧化锌作为SPR激发材料，在液体分析物折射率RI为1.37-1.41内，达到最大灵敏度6000nm/RIU，分辨率为1.667×10-5RIU，可广泛应用于样品检测，如生命科学研究、生物化学、环境监测等领域。
附图说明
图1为本发明提供的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置图。
图2为本发明提供的基于SPR的D型光子晶体光纤二维横截面图。
图3为本发明提供的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器随液体分析物折射率RI变化的损耗谱及线性拟合图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法的具体实施方式加以说明。
如图1所示，为本发明提供的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置图，由宽带光源(1)、偏振器(2)、流通池(3)、D型光子晶体光纤(4)、单模光纤(5)、光谱分析仪(6)和计算机(7)组成；光纤折射率传感器位于流通池(3)内，流通池(3)内有控制液体分析物的入口(8)和出口(9)；D型光子晶体光纤(4)侧面抛光表面涂覆银掺杂氧化锌薄膜，与D型光子晶体光纤(4)熔接的单模光纤(5)、涂覆银掺杂氧化锌薄膜的D型光子晶体光纤(4)一起构成所述基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置的探头；宽带光源(1)经过偏振器(2)变成y偏振光，通过流通池(3)传输到D型光子晶体光纤(4)，由D型光子晶体光纤(4)输出由单模光纤(5)输入至光谱分析仪(6)，光谱分析仪(6)的输出端连接计算机(7)。
如图2所示，为本发明提供的基于SPR的D型光子晶体光纤二维横截面图，包括：包层(10)、25个位于包层中的空气孔；其特征在于，空气孔(11)和空气孔(12)以原点为中心分别旋转20°、40°、60°、79°，再镜像形成第一层空气孔、第二层空气孔；空气孔(13)以原点为中心分别旋转20°、40°，再镜像形成第三层空气孔；椭圆空气孔(14)位于y轴(空)纤芯处；包层空气孔间距Λ为10-12μm，包层直径D为100μm，空气孔(11)、空气孔(12)和空气孔(13)的直径d1、d2和d3分别为8.55-9.45μm、6.65-7.35μm、4.75-5.25μm；椭圆空气孔(14)的短轴a和长轴b分别为3μm和7μm；包层材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义。
基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器对液体分析物折射率RI灵敏度的检测；通过混合不同质量比的蔗糖和去离子水调节液体分析物折射率RI，分别取液体分析物折射率RI为1.37，1.38，1.39，1.40，1.41依次用于本发明提供的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置进行测量；液体分析物折射率RI变化会使共振条件发生变化，导致共振损耗峰发生明显变化，可以实现高灵敏度、实时性探测。
如图3所示，为本发明提供的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器随液体分析物折射率RI变化的损耗谱及线性拟合图。随着液体分析物折射率RI的增大，损耗谱向更长的波长方向偏移，损耗谱的幅值逐渐增大。这是由于液体分析物折射率RI的增加降低了纤芯与SPP模之间的折射率对比度，增强了倏逝场，从而导致更强的耦合。同时，较大的液体分析物折射率RI会使SPP的有效模式折射率实部增大，而纤芯模式不变，导致相位匹配点移向更长的波长。插图为共振波长作为液体分析物折射率RI的函数。发现在液体分析物折射率RI从1.37变化到1.41时，最大波长灵敏度可达6000nm/RIU，最大波长分辨率为1.667×10-5RIU。平均灵敏度为4485.7nm/RIU，拟合优度参数R2＞0.995。拟合方程为y＝4485.7x-4284。
Claims (5)
1.基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法，其特征在于，由宽带光源(1)、偏振器(2)、流通池(3)、D型光子晶体光纤(4)、单模光纤(5)、光谱分析仪(6)和计算机(7)组成；所述光纤折射率传感器位于流通池(3)内，流通池(3)内有控制液体分析物的入口(8)和出口(9)；
所述D型光子晶体光纤(4)侧面抛光表面涂覆银掺杂氧化锌薄膜，与所述D型光子晶体光纤(4)熔接的单模光纤(5)、涂覆银掺杂氧化锌薄膜的D型光子晶体光纤(4)一起构成所述基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置的探头；
所述D型光子晶体光纤(4)包括：包层(10)、25个位于包层中的空气孔；其特征在于，空气孔(11)和空气孔(12)以原点为中心分别旋转20°、40°、60°、79°，再镜像形成第一层空气孔、第二层空气孔；空气孔(13)以原点为中心分别旋转20°、40°，再镜像形成第三层空气孔；椭圆空气孔(14)位于y轴(空)纤芯处；
所述D型光子晶体光纤(4)侧面抛光表面涂覆银掺杂氧化锌薄膜的制备方法为：将60mL醋酸锌无水乙醇溶液(0.015M)和30mL氢氧化钠无水乙醇溶液(0.0225M)在烧杯中混合搅拌2小时，制得种子溶液；将纯氧化锌的种子溶液与300mL的硝酸锌溶液(0.03M)和300mL的六甲基四胺溶液(0.03M)混合搅拌；通过混合和搅拌150毫升硝酸锌(0.008M，0.0076M，0.0072M，0.0068M，0.0064M，0.006M)水溶液，150毫升硝酸银(0.024M，0.0248M，0.0256M，0.0264M，0.0272M，0.028M)水溶液和六次甲基四胺300毫升(0.03M)溶液获得不同浓度的银掺杂氧化锌(60％～70％)纳米材料。
2.根据权利要求1所述的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法，其特征在于：所述D型光子晶体光纤(4)的包层空气孔间距Λ为10-12μm，包层直径D为100μm，空气孔(11)、空气孔(12)和空气孔(13)的直径d1、d2和d3分别为8.55-9.45μm、6.65-7.35μm、4.75-5.25μm；椭圆空气孔(14)的短轴a和长轴b分别为3μm和7μm。
3.根据权利要求1所述的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法，其特征在于：所述D型光子晶体光纤(4)的包层材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义。
4.根据权利要求1所述的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法，其特征在于：所述液体分析物是通过混合不同质量比的蔗糖和去离子水获得，由阿贝折射仪测量。
5.基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法，其特征在于：采用堆叠-拉丝技术制备光子晶体光纤，然后在V型槽中进行抛磨加工成D型光子晶体光纤(4)，利用射频磁控溅射方法可以得到所述的涂覆银掺杂氧化锌薄膜的D型光子晶体光纤(4)；
所述的堆叠-拉丝技术为：首先对石英套管进行预处理，在超净环境下按照参数拉制毛细管，拉制温度为1900℃-2000℃，之后对毛细管两端用氢氧焰进行拉锥封孔，在石英套管中将毛细管按照设计要求堆积形成所需的结构，用纯石英棒对空隙进行填充，利用氧炔火焰将石英套管与毛细管烧结在一起，在拉丝塔上使用两次拉丝技术制成光子晶体光纤；
所述的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法，其传输路径如下：所述宽带光源(1)经过偏振器(2)变成y偏振光，通过流通池(3)传输到D型光子晶体光纤(4)，由D型光子晶体光纤(4)输出由单模光纤(5)输入至光谱分析仪(6)，光谱分析仪(6)的输出端连接计算机(7)，其特征在于：
所述银掺杂氧化锌薄膜表面激发的等离子体波波矢与入射光场的波矢在特定的波长范围内达到相位匹配，发生耦合，出现共振损耗峰，表面等离子体共振(SPR)对介质环境十分敏感，液体分析物折射率RI变化会使共振条件发生变化，导致共振损耗峰发生明显变化，可以实现高灵敏度、实时性探测，在液体分析物折射率RI为1.40-1.41时，所述的基于SPR的D型光子晶体光纤折射率传感器达到最大灵敏度6000nm/RIU，分辨率为1.667×10-5RIU。
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