CN113252604B - 基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤spr传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器，其包括金膜、纤芯、小气孔Ⅰ、小气孔Ⅱ、大气孔、包层，金膜设置在包层外侧，在包层中心处设置有小气孔Ⅱ，小气孔Ⅱ外侧设置有内层空气孔，内层空气孔是呈正三角形排列的小气孔Ⅰ，外层空气孔是由小气孔Ⅰ、大气孔呈正六边形排列而成且大气孔位于小气孔Ⅰ之间，同时在包层中形成3个实心纤芯，3个纤芯共用小气孔Ⅱ；本发明三芯结构的设计提高了传感器的检测范围；金膜的使用即能更好的激发SPR现象，又能提高传感器的灵敏度和分辨率；该传感器的结构设计简单，体积小，检测范围广，抗腐蚀能力强，灵敏度及分辨率高，是一种实用的传感器，具备商业化推广的潜力。

Description

基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器

技术领域

本发明涉及光纤SPR传感技术领域，尤其是一种基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器。

背景技术

表面等离子体共振(surface plasmon resonance，SPR)是指在一定的入射波长或入射角下，表面等离子体激元与倏逝波的频率相等，入射光被强烈吸收，反射光或透射光的能量急剧下降，在探测光谱上产生相应的共振吸收峰。金属表面周围的介质折射率变化会改变共振吸收峰的位置，因此，可以将SPR技术应用于药物筛选，临床诊断和环境检测等领域。

利用SPR技术设计制造的传感器具有高灵敏度、实时检测和抗干扰能力强等优点，在生物、化学和医学等领域应用广泛，传统的SPR传感器一般采用Kretschmann-raether结构，但是，基于此种结构设计的传感器体积较大，结构复杂，且无法实现远程检测。为了解决上述问题，近几十年来科研工作者将SPR技术与光子晶体光纤相结合，用于制作SPR传感器，并展现了显著的性能，扩大了此类传感器的应用范围。

基于光子晶体光纤的SPR传感器的气孔位置排列规则，可以根据不同的应用环境以及待测物进行设计，2013年Zhang Peipei等人提出了一种基于多芯光子晶体光纤的SPR传感器，在1.41-1.42范围内，灵敏度为3300nm/RIU，相应的分辨率为3.03×10^-5，但是，该传感器将金膜溅射于光纤的内部，增加了传感器的制造难度。2015年Wang Guangyao等人提出了一种基于表面等离子体共振的D形光子晶体光纤生物传感器，在1.345-1.41范围内，最大灵敏度可达12450nm/RIU。2017年An Guowei等人提出了一种基于表面等离子体共振的D形光子晶体光纤传感器，在1.33-1.38范围，最大灵敏度为10493nm/RIU，相应的分辨率为9.53×10^-6RIU。上述D形光子晶体光纤需要对光纤表面进行预抛光，对传感器的制造提出了挑战，且传感器的灵敏度较低。2019年Fu Haiwei等人提出了一种高灵敏度D型石墨烯银纳米柱表面等离子体共振光纤折射率传感器，在1.33-1.39范围内，灵敏度可达8860.93nm/RIU。但该传感器采用多层薄膜结构，层与层之间的相互作用力以及制造过程中的溅射难度，都还没有得到验证。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器，通过改变气孔的大小和位置以及金膜的厚度，提高传感器的灵敏度。

本发明基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器包括金膜、纤芯、小气孔Ⅰ、小气孔Ⅱ、大气孔、包层，金膜溅射在包层外侧，在包层中心处设置有小气孔Ⅱ，小气孔Ⅱ外侧设置有内层空气孔，内层空气孔是呈正三角形排列的小气孔Ⅰ(即小气孔Ⅰ呈120°分布在小气孔Ⅱ周围)，外层空气孔是由小气孔Ⅰ、大气孔呈正六边形排列而成，且大气孔位于小气孔Ⅰ之间，同时在包层中形成3个纤芯，即3个大气孔、2个小气孔Ⅰ、1个小气孔Ⅱ围成一个实心纤芯，3个纤芯共用小气孔Ⅱ并呈120°分布。

所述小气孔Ⅰ和大气孔间的中心距为晶格常数Λ＝1.9-2.1μm。

所述小气孔Ⅰ和小气孔Ⅱ间的中心距为

所述大气孔直径为1μm；小气孔Ⅰ的直径为0.4-0.6μm，小气孔Ⅱ的直径为0.2-0.4μm，小气孔Ⅱ直径小于小气孔Ⅰ直径。

所述三芯光子晶体光纤SPR传感器外径为8.6-9.0μm。

所述金膜厚度为35-45nm。

所述包层材料为二氧化硅。

所述待测液体的折射率范围为1.33-1.41。

所述在包层周围溅射一层金膜，用于激发表面等离子体共振现象。

本发明的优点和技术效果：

本发明将金膜直接溅射到光纤的表面，不需要特殊加工，简化了制作的流程，容易实现；利用该模型制作的光子晶体光纤SPR传感器在折射率1.33-1.41范围内实现高灵敏度检测最高检测灵敏度为34000nm/RIU，相应的分辨率为2.9×10^-6RIU；

本发明通过气孔位置的设计得到了三芯结构，增大了传感器的检测范围，使更多的能量集中在包层内部，减少能量损失，提高了传感器的灵敏度，且传感器中气孔数量较少，便于传感器的制造，适用于工业化生产和市场推广应用。

附图说明

图1是本发明传感器的横截面结构示意图；

图2是本发明y偏振模式下分析物折射率为n_a＝1.4时的色散关系和损耗谱图；

图3是本发明y偏振模式下损耗与波长的函数关系示意图；

图4是本发明x_pol基模的模场示意图；

图5是本发明y_pol基模的模场示意图；

图6是本发明SPP模式的模场示意图；

图7是本发明晶格常数变化时的损失谱曲线；

图8是本发明金膜厚度变化时的损失谱曲线；

图中 1-金膜；2-纤芯；3-小气孔Ⅰ；4-小气孔Ⅱ；5-大气孔；6-包层。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本文发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文发明保护的范围。

实施例1：如图1所示，基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器包括金膜1、纤芯2、小气孔Ⅰ3、小气孔Ⅱ4、大气孔5、包层6，包层6材料为二氧化硅，包层横截面为圆形，包层的直径为8.6μm，金膜1设置在包层6外侧，厚度为40nm；包层6内设置有三种不同直径的气孔，共计16个，在包层6中心处设置有小气孔Ⅱ4，小气孔Ⅱ4直径为0.4μm；小气孔Ⅱ4外侧设置有内层空气孔，内层空气孔是呈正三角形排列的3个小气孔Ⅰ3，小气孔Ⅰ3直径为0.6μm，小气孔Ⅰ3和小气孔Ⅱ4间的中心距为

外层空气孔是由3个小气孔Ⅰ3、9个大气孔5呈正六边形排列而成，且每3个大气孔位于2个小气孔Ⅰ之间，同时在包层6中形成3个纤芯2，即3个大气孔、2个小气孔Ⅰ3、1个小气孔Ⅱ4围成一个实心纤芯2，大气孔5直径为1μm，小气孔Ⅰ3和大气孔5间的中心距为晶格常数Λ＝2.0μm；待测液体检测区域在金薄膜的外部；

本发明传感器的设计和性能分析是基于光波导理论、Sellmeier公式和有限元方法，利用基于全矢量有限元法(FEM)的COMSOL Multiphysics计算软件对设计的传感器的模型进行数值计算和优化，在传感器模型的外部设置完美匹配层条件，用于吸收辐射能，减少能量损耗带来的误差，在完美匹配边界的配合下，求解模场的有效折射率，然后根据模场损失公式α_loss＝8.68×(2π/λ)Im(n_eff)×10⁴(dB/cm)，计算出模场损耗α_loss，利用Origin软件绘制出光纤的损失谱及模场的有效折射率变化情况。

如图2所示，在待测液体折射率为1.4，基模折射率实部与等离子体激元模式的折射率实部相等时，模场损失达到峰值。

如图3所示，在待测液体折射率为1.33-1.41时，光纤损失谱的损失吸收峰随折射率的增加而增加，吸收峰发生红移，其中在损失峰对应的波长下发生了表面等离子体共振现象，然后在波长为550nm-1300nm这个波段内进行仿真，计算该传感器模型的灵敏度以及分辨率，通过计算折射率改变Δn_a时，吸收峰的偏移量Δλ_peak，利用公式S_λ(λ)＝Δλ_peak/Δn_a(nm/RIU)，计算出传感器的灵敏度S_λ(λ)，这里Δn_a代表待测液折射率的变化步长，值为0.01，Δλ_peak代表共振波长的改变量；当折射率n_a从1.33变化到1.34、1.35……1.41时，对应损失峰的波长偏移量分别为17、21、26、33、44、64、110、340nm，灵敏度分别为1700、2100、2600、3300、4400、6400、11000、30600nm/RIU，平均灵敏度为3589nm/RIU，使用分辨率为0.01nm的光谱仪，利用公式R＝Δn_aΔλ_min/Δλ_peak(Δλ_min为0.1)得出该传感器的最大分辨率(R)和平均分辨率分别为2.9×10^-6RIU和2.79×10^-5RIU。

图4是利用Comsol Multiphysics有限元分析软件绘制该传感器中x_pol基模模场分布图，图5为y_pol基模的模场分布图，由于y方向的模场损失和x方向的模场损失相差较小，所以我们在计算中采用的是y_pol基模模场的相应数值。

图6是基模与SPP模的实部相等时，表面等离子体模式的模场分布图，这种模式对待测液体的折射率的变化非常敏感，因此可通过观察吸收峰的变化，来得到待测液体的折射率变化，继而得出液体浓度的变化。

为了制造精度更高的光纤传感器，灵活的选择各个指标的参数，提高传感器的制造合格率，本发明对气孔的中心间距晶格常数Λ和金膜的厚度进行了研究。

如图7所示，取晶格常数的范围为1.9-2.1μm，其损失谱发生轻微变化，损失峰发生蓝移，因此晶格常数的变化对损失谱的影响较小，制造范围在1.9-2.1μm即可，本实施例中选择晶格常数Λ＝2μm。

如图8所示，研究了金膜厚度对本发明传感器损失谱的影响，随着金膜厚度的增加，模场损失减小，损失峰发生红移，这是因为金层太厚，会产生较高的阻尼损失，从而减小消逝场的穿透使模场损失降低。

本发明所设计的光子晶体光纤SPR传感器放入待测液体中，由于金薄膜表面产生的等离子体共振对周围环境中的待测液变化十分敏感，当待测液的折射率发生改变时，损耗峰的位置也会发生改变，因此，可以通过测量损耗峰位置变化得出待测液体折射率的变化，从而达到传感的目的。

Claims (4)

1.基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：包括金膜（1）、纤芯（2）、小气孔Ⅰ（3）、小气孔Ⅱ（4）、大气孔（5）、包层（6），金膜（1）设置在包层（6）外侧，在包层（6）中心处设置有小气孔Ⅱ（4），小气孔Ⅱ（4）外侧设置有内层空气孔，内层空气孔是呈正三角形排列的小气孔Ⅰ（3），外层空气孔是由小气孔Ⅰ（3）、大气孔（5）呈正六边形排列而成，且大气孔位于小气孔Ⅰ之间，同时在包层中形成3个纤芯（2），即3个大气孔、2个小气孔Ⅰ（3）、1个小气孔Ⅱ（4）围成一个实心纤芯（2）；

所述小气孔Ⅰ（3）和小气孔Ⅱ（4）间的中心距为

；小气孔Ⅰ（3）和大气孔（5）间的中心距为晶格常数Λ=1.9-2.1μm；大气孔（5）直径为1μm；小气孔Ⅰ（3）的直径为0.4-0.6μm，小气孔Ⅱ（4）的直径为0.2-0.4μm；

3个纤芯共用小气孔Ⅱ并呈120°分布，包层（6）内设置有三种不同直径的气孔，共计16个，待测液体检测区域在金膜的外部。

2.根据权利要求1所述的基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：包层直径为8.6-9.0μm。

3.根据权利要求1所述的基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：金膜（1）厚度为35-45nm。

4.根据权利要求1所述的基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器，其特征在于：包层材料为二氧化硅。

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