CN112881337A - 基于光子晶体光纤的手性检测装置及系统 - Google Patents
基于光子晶体光纤的手性检测装置及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及基于光子晶体光纤的手性检测装置及系统，具体而言，涉及手性检测领域。本申请提供的基于光子晶体光纤的手性检测装置包括：光子晶体光纤、第一金属膜、第一金属微纳结构层和第一石墨烯层；当对待测圆偏振光进行检测的时候，入射的待测圆偏振光在光子晶体光纤的纤芯和第一金属膜之间进行全反射，形成倏逝波，并且该倏逝波与第一金属层的自由电子匹配，产生局域表面等离激元，进而降低该光子晶体光纤的纤芯和第一金属膜之间全反射的能量，进而改变通过光子晶体光纤的光信号，进而对该光子晶体光纤出射端的出射光信号的光谱强度进行检测，并根据该出射光信号的光谱强度与待测圆偏振光的手性对应关系，得到待测圆偏振光的待测手性。
Description
技术领域
本申请涉及手性检测领域，具体而言，涉及一种基于光子晶体光纤的手性检测装置及系统。
背景技术
手性一词源于希腊语，表示结构的对称性，在多种学科中都有重要的意义。如果某物体与其镜像不同，则其被称为"手性的"，且其镜像是不能与原物体重合的，就如同左手和右手互为镜像而无法叠合。手性是生命过程的基本特征，构成生命体的有机分子绝大多数都是手性分子。
自然界中的手性分子手性信号普遍非常弱。现有技术对手性进行检测的方法是将手性进行增强，然后在对增强后的圆偏振光的手性进行检测。
但是，现有技术中的手性检测方法，由于需要先增强手性，则检测圆偏振光的手性过程较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于光子晶体光纤的手性检测装置及系统，以解决现有技术中的手性检测方法，由于需要先增强手性，则检测圆偏振光的手性过程较为复杂的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种基于光子晶体光纤的手性检测装置，装置包括：光子晶体光纤、第一金属膜、第一金属微纳结构层和第一石墨烯层；光子晶体光纤沿平行于轴向的方向设置有相对的第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽内设置有第一金属膜、第一金属微纳结构层和第一石墨烯层，其中，第一金属膜靠近光子晶体光纤的轴心设置，第一金属微纳结构层包括多个金属微纳结构单元，多个金属微纳结构单元设置在第一金属膜远离光子晶体光纤的一侧，第一石墨烯层设置在第一金属微纳结构层远离第一金属膜的一侧。
可选地，该装置还包括第二金属膜、第二金属微纳结构层和第二石墨烯层，第二金属膜、第二金属微纳结构层和第二石墨烯层设置在第二凹槽内部，其中，第二金属膜靠近光子晶体光纤的轴心设置，第二金属微纳结构层包括多个金属微纳结构单元，多个金属微纳结构单元设置在第二金属膜远离光子晶体光纤的一侧，第二石墨烯层设置在第二金属微纳结构层远离第二金属膜的一侧。
可选地，该第一金属微纳结构层和第二金属微纳结构层的材料为贵金属材料。
可选地，该装置还包括第三金属微纳结构层，第三金属微纳结构层设置在第一凹槽内，第一石墨烯层远离第一金属膜的一侧。
可选地，该装置还包括第四金属微纳结构层，第四金属微纳结构层设置在第二凹槽内，第二石墨烯层远离第二金属膜的一侧。
可选地，该第一石墨烯层和第二石墨烯层上均设置有多个凹槽。
可选地，该第一凹槽和第二凹槽的形状为“W”形或“U”形。
第二方面，本申请提供一种基于光子晶体光纤的手性检测系统，系统包括：光源、光谱仪、单片机和第一方面任意一项的基于光子晶体光纤的手性检测装置，光源和光谱仪分别设置在光子晶体光纤的两端，光源用于产生光信号，光谱仪用于检测装置的输出光信号的变化，单片机用于根据光信号的变化与待测手性的关系，得到待测手性。
本发明的有益效果是：
本申请提供的基于光子晶体光纤的手性检测装置包括：光子晶体光纤、第一金属膜、第一金属微纳结构层和第一石墨烯层；光子晶体光纤沿平行于轴向的方向设置有相对的第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽内设置有第一金属膜、第一金属微纳结构层和第一石墨烯层，其中，第一金属膜靠近光子晶体光纤的轴心设置，第一金属微纳结构层包括多个金属微纳结构单元，多个金属微纳结构单元设置在第一金属膜远离光子晶体光纤的一侧，第一石墨烯层设置在第一金属微纳结构层远离第一金属膜的一侧；当对待测圆偏振光进行检测的时候，使用待测圆偏振光从该光子晶体光纤的入射端进入，入射的待测圆偏振光在光子晶体光纤的纤芯和第一金属膜之间进行全反射，形成倏逝波，并且该倏逝波与第一金属层的自由电子匹配，产生局域表面等离激元，进而降低该光子晶体光纤的纤芯和第一金属膜之间全反射的能量，进而改变通过光子晶体光纤的光信号，进而对该光子晶体光纤出射端的出射光信号的光谱强度进行检测，并根据该出射光信号的光谱强度与待测圆偏振光的手性对应关系，得到待测圆偏振光的待测手性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种基于光子晶体光纤的手性检测装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的另一种基于光子晶体光纤的手性检测装置的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的另一种基于光子晶体光纤的手性检测装置的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的另一种基于光子晶体光纤的手性检测装置的结构示意图。
图标：10-光子晶体光纤；11-第一凹槽；12-第二凹槽；20-第一金属膜；30-第一金属微纳结构层；40-第一石墨烯层；50-第二金属膜；60-第二金属微纳结构层；70-第二石墨烯层；80-第三金属微纳结构层；90-第四金属微纳结构层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。
图1为本发明一实施例提供的一种基于光子晶体光纤的手性检测装置的结构示意图；如图1所示，本申请提供一种基于光子晶体光纤10的手性检测装置，装置包括：光子晶体光纤10、第一金属膜20、第一金属微纳结构层30和第一石墨烯层40；光子晶体光纤10沿平行于轴向的方向设置有相对的第一凹槽11和第二凹槽12，第一凹槽11内设置有第一金属膜20、第一金属微纳结构层30和第一石墨烯层40，其中，第一金属膜20靠近光子晶体光纤10的轴心设置，第一金属微纳结构层30包括多个金属微纳结构单元，多个金属微纳结构单元设置在第一金属膜20远离光子晶体光纤10的一侧，第一石墨烯层40设置在第一金属微纳结构层30远离第一金属膜20的一侧。
该光子晶体光纤10的外部相对设置有第一凹槽11和第二凹槽12，且该凹槽的颜色方向与该光子晶体光纤10的轴向平行，该第一凹槽11和第二凹槽12的几何参数根据实际需要进行选择，在此不做具体限定，一般的，该凹槽的底部贯穿该光子晶体光纤10的包层，直至该光子晶体光纤10的纤芯位置，该第一凹槽11可以用于容纳该第一金属膜20、第一金属微纳结构层30和第一石墨烯层40即可，该第一凹槽11和第二凹槽12形状结构完全相同，一般的，设置第一金属膜20、第一金属微纳结构层30和第一石墨烯层40的为第一凹槽11，另一个则为第二凹槽12，该第一金属膜20设置在该凹槽的底部，即该第一金属膜20与该光子晶体光纤10的纤芯直接接触，由于该光子晶体光纤10具有多个气孔，进而使得通过该光子晶体光纤10的光信号可以在该光子晶体光纤10的纤芯与该第一金属膜20之间进行多次全反射，该第一金属微纳结构层30位多个金属微纳结构单元组成，多个金属微纳结构单元周期设置在该第一金属膜20远离该纤芯的一侧，该多个金属微纳结构单元的周期根据具体需要进行设置，在此不做限定，多个金属微纳结构单元由于周期设置，相当于光栅，第一石墨烯层40设置在该第一石墨烯层40远离纤芯的一侧，该第一石墨烯将该第一金属膜20、第一金属微纳结构层30进行覆盖，当对待测圆偏振光进行检测的时候，使用待测圆偏振光从该光子晶体光纤10的入射端进入，入射的待测圆偏振光在光子晶体光纤10的纤芯和第一金属膜20之间进行全反射，形成倏逝波，并且该倏逝波与第一金属层的自由电子匹配，产生局域表面等离激元，进而降低该光子晶体光纤10的纤芯和第一金属膜20之间全反射的能量，进而改变通过光子晶体光纤10的光信号，进而对该光子晶体光纤10出射端的出射光信号的光谱强度进行检测，并根据该出射光信号的光谱强度与待测圆偏振光的手性对应关系，得到待测圆偏振光的待测手性；需要说明的是，该出射光信号的光谱强度与待测圆偏振光的手性对应关系，根据实验检测得到，在此不做具体限定。
本申请具体的有益效果为：1)本发明用光子晶体光纤10传输圆二色信号，传输效率高，响应快，信号无损耗。(2)第一石墨烯层40的石墨烯还具有高表面体积比、宽频带光学和等离子体特性等优点，因此测得的信号波长范围更宽，更容易检测到信号，并且更灵敏。(3)光子晶体光纤10具有尺寸最小、几何参数可调，利于本发明传感器的集成，并且可以测小区域内的手性场。(4)此外，通过改变光子晶体光纤10结构的几何参数，其核导模式的有效折射率可以与等离子体模式相匹配，可以适用于不同大小分子的手性测量。
名词解释，光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers,PCF)又被称为微结构光纤(Micro-Structured Fibers,MSF)，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。
图2为本发明一实施例提供的另一种基于光子晶体光纤的手性检测装置的结构示意图；如图2所示，可选地，该装置还包括第二金属膜50、第二金属微纳结构层60和第二石墨烯层70，第二金属膜50、第二金属微纳结构层60和第二石墨烯层70设置在第二凹槽12内部，其中，第二金属膜50靠近光子晶体光纤10的轴心设置，第二金属微纳结构层60包括多个金属微纳结构单元，多个金属微纳结构单元设置在第二金属膜50远离光子晶体光纤10的一侧，第二石墨烯层70设置在第二金属微纳结构层60远离第二金属膜50的一侧。
该第二凹槽12与该第一凹槽11相对设置，相当于该第一凹槽11与该第二凹槽12分别设置在该光子晶体光纤10的一条直径的两端，该第二凹槽12内部设置在第二金属膜50、第二金属微纳结构层60和第二石墨烯层70，与该第一凹槽11内设置的第一金属膜20、第一金属微纳结构层30和第一石墨烯层40完全相同，在该光子晶体光纤10的另一端设置第二凹槽12为了进一步加大对手性的检测准确度，入射的待测圆偏振光在光子晶体光纤10的纤芯与第一金属膜20之间和光子晶体光纤10的纤芯与第二金属膜50之间进行全反射，此处的全反射的量相当于只有第一凹槽11时的两倍，在第一凹槽11和第二凹槽12内均形成倏逝波，并且该倏逝波分别与第一金属层和第二金属层的自由电子匹配，产生局域表面等离激元，进而降低该光子晶体光纤10的纤芯分别和第一金属膜20第二金属膜50之间全反射的能量，进而改变通过光子晶体光纤10的光信号，进而对该光子晶体光纤10出射端的出射光信号的光谱强度进行检测，并根据该出射光信号的光谱强度与待测圆偏振光的手性对应关系，得到待测圆偏振光的待测手性。
可选地，该第一金属微纳结构层30和第二金属微纳结构层60的材料为贵金属材料。
该第一金属微纳结构层30和第二金属微纳结构层60的材料可以为贵金属中的任意一种单质贵金属组成的材料，也可以为多种混合贵金属组成的混合贵金属材料，若该第一金属微纳结构层30和第二金属微纳结构层60的材料为多种混合贵金属组成的混合贵金属材料，则混合的贵金属材料的贵金属种类和各个贵金属之间的比例根据实际需要进行选择，在此不做具体限定，在实际引用中，一般将第一金属微纳结构层30和第二金属微纳结构层60的材料设置为单质银或者单质金，较多选择的为银，银比金的共振峰更尖锐，进而使得检测精度更高。
图3为本发明一实施例提供的另一种基于光子晶体光纤的手性检测装置的结构示意图；如图3所述，可选地，该装置还包括第三金属微纳结构层80，第三金属微纳结构层80设置在第一凹槽11内，第一石墨烯层40远离第一金属膜20的一侧。
第三金属微纳结构层80设置在第一凹槽11内，与第一金属微纳结构层30相当于相对设置，第一金属微纳结构层30和第三金属微纳结构层80之间会汇聚更多的电磁波，使得第一石墨烯层40传输的效率更高；另一方面，双层的第一金属微纳结构层30和第三金属微纳结构层80周围的手性场更大，对于手性分子的手性增大的更多，得到的圆二色信号更大，使得探测器的灵敏度更高。
图4为本发明一实施例提供的另一种基于光子晶体光纤的手性检测装置的结构示意图；如图4所示，可选地，该装置还包括第四金属微纳结构层90，第四金属微纳结构层90设置在第二凹槽12内，第二石墨烯层70远离第二金属膜50的一侧。
第四金属微纳结构层90设置在第二凹槽12内，与第二金属微纳结构层60相当于相对设置，第二金属微纳结构层60和第四金属微纳结构层90之间会汇聚更多的电磁波，使得第二石墨烯层70传输的效率更高；另一方面，双层的第二金属微纳结构层60和第四金属微纳结构层90周围的手性场更大，对于手性分子的手性增大的更多，得到的圆二色信号更大，使得探测器的灵敏度更高。
可选地，该第一石墨烯层40和第二石墨烯层70上均设置有多个凹槽。
设置有多个凹槽的第一石墨烯层40和第二石墨烯层70，使得第一石墨烯层40与第一金属微纳结构层30和第三金属微纳结构层80的接触面积增大，使得第二石墨烯层70与第二金属微纳结构层60和第四金属微纳结构层90的接触面积增大，，聚集电磁波的能力更强，对于手性分子的手性增大的更多，得到的圆二色信号更大，使得探测器的灵敏度更高。
可选地，该第一凹槽11和第二凹槽12的形状为“W”形或“U”形。
为了方便说明，在此以该第一凹槽11和第二凹槽12的形状为“W”形进行举例说明，“W”凹槽内可以放置的金属微纳结构更多，使得等离激元对于对于手性分子的手性增强的更多，得到的圆二色信号更大，使得探测器的灵敏度更高。
本申请提供的基于光子晶体光纤10的手性检测装置包括：光子晶体光纤10、第一金属膜20、第一金属微纳结构层30和第一石墨烯层40；光子晶体光纤10沿平行于轴向的方向设置第一凹槽11，第一凹槽11内设置有第一金属膜20、第一金属微纳结构层30和第一石墨烯层40，其中，第一金属膜20靠近光子晶体光纤10的轴心设置，第一金属微纳结构层30包括多个金属微纳结构单元，多个金属微纳结构单元设置在第一金属膜20远离光子晶体光纤10的一侧，第一石墨烯层40设置在第一金属微纳结构层30远离第一金属膜20的一侧；当对待测圆偏振光进行检测的时候，使用待测圆偏振光从该光子晶体光纤10的入射端进入，入射的待测圆偏振光在光子晶体光纤10的纤芯和第一金属膜20之间进行全反射，形成倏逝波，并且该倏逝波与第一金属层的自由电子匹配，产生局域表面等离激元，进而降低该光子晶体光纤10的纤芯和第一金属膜20之间全反射的能量，进而改变通过光子晶体光纤10的光信号，进而对该光子晶体光纤10出射端的出射光信号的光谱强度进行检测，并根据该出射光信号的光谱强度与待测圆偏振光的手性对应关系，得到待测圆偏振光的待测手性。
本申请提供一种基于光子晶体光纤10的手性检测系统，系统包括：光源、光谱仪、单片机和上述任意一项的基于光子晶体光纤10的手性检测装置，光源和光谱仪分别设置在光子晶体光纤10的两端，光源用于产生光信号，光谱仪用于检测装置的输出光信号的变化，单片机用于根据光信号的变化与待测手性的关系，得到待测手性。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于光子晶体光纤的手性检测装置，其特征在于，所述装置包括：光子晶体光纤、第一金属膜、第一金属微纳结构层和第一石墨烯层；所述光子晶体光纤沿平行于轴向的方向设置有相对的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽内设置有所述第一金属膜、所述第一金属微纳结构层和所述第一石墨烯层，其中，所述第一金属膜靠近所述光子晶体光纤的轴心设置，所述第一金属微纳结构层包括多个金属微纳结构单元，多个所述金属微纳结构单元设置在所述第一金属膜远离所述光子晶体光纤的一侧，所述第一石墨烯层设置在所述第一金属微纳结构层远离所述第一金属膜的一侧。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤的手性检测装置，其特征在于，所述装置还包括第二金属膜、第二金属微纳结构层和第二石墨烯层，第二金属膜、所述第二金属微纳结构层和所述第二石墨烯层设置在所述第二凹槽内部，其中，所述第二金属膜靠近所述光子晶体光纤的轴心设置，所述第二金属微纳结构层包括多个金属微纳结构单元，多个所述金属微纳结构单元设置在所述第二金属膜远离所述光子晶体光纤的一侧，所述第二石墨烯层设置在所述第二金属微纳结构层远离所述第二金属膜的一侧。
3.根据权利要求2所述的基于光子晶体光纤的手性检测装置，其特征在于，所述第一金属微纳结构层和所述第二金属微纳结构层的材料为贵金属材料。
4.根据权利要求3所述的基于光子晶体光纤的手性检测装置，其特征在于，所述装置还包括第三金属微纳结构层，所述第三金属微纳结构层设置在所述第一凹槽内，所述第一石墨烯层远离所述第一金属膜的一侧。
5.根据权利要求4所述的基于光子晶体光纤的手性检测装置，其特征在于，所述装置还包括第四金属微纳结构层，所述第四金属微纳结构层设置在所述第二凹槽内，所述第二石墨烯层远离所述第二金属膜的一侧。
6.根据权利要求5所述的基于光子晶体光纤的手性检测装置，其特征在于，所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层上均设置有多个凹槽。
7.根据权利要求6所述的基于光子晶体光纤的手性检测装置，其特征在于，所述第一凹槽和所述第二凹槽的形状为“W”形或“U”形。
8.一种基于光子晶体光纤的手性检测系统，其特征在于，所述系统包括：光源、光谱仪、单片机和权利要求1-7任意一项所述的基于光子晶体光纤的手性检测装置，所述光源和所述光谱仪分别设置在所述光子晶体光纤的两端，所述光源用于产生光信号，所述光谱仪用于检测所述装置的输出光信号的变化，所述单片机用于根据所述光信号的变化与待测手性的关系，得到待测手性。
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|---|---|---|---|---|
| CN113917243A (zh) * | 2021-10-09 | 2022-01-11 | 重庆师范大学 | 基于表面等离激元的高精度光学验电装置及系统 |
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2021
- 2021-01-11 CN CN202110029675.9A patent/CN112881337A/zh not_active Withdrawn
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| CN113917243B (zh) * | 2021-10-09 | 2023-07-25 | 重庆师范大学 | 基于表面等离激元的高精度光学验电装置及系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20210601 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |