CN113405991A - 双通道同步检测的光子晶体光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，其包括传感器本体和基底，水平y方向上作为传感通道的大空气孔，以及五层呈六边形排列的小空气孔。在大空气孔内壁涂覆用以激发SPR效应的双层膜并填充待测液体，第一传感通道内为Au‑Ta₂O₅、第二传感通道内为Ag‑Ta₂O₅。光纤内两种基本偏振模式y偏振、x偏振分别对第一传感通道与第二传感通道内待测折射率变化敏感，当传感通道内溶液折射率发生改变，对应偏振模式损耗光谱的损耗峰将发生移动，而另一模式的对应损耗峰位置则不受其影响。利用上述双通道响应的折射率敏感性以及高度独立性，通过检测两种偏振模式损耗谱的损耗峰对应波长即可分别确定双通道内待测介质的折射率。

Description

双通道同步检测的光子晶体光纤传感器

技术领域

本发明涉及光子晶体光纤领域，具体涉及一种双通道同步检测的光子晶体光纤传感器。

背景技术

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)是在二维光子晶体的基础上发展出来的一种特殊光纤，通过改变PCF的结构参数可以调节光纤色散和结构特性。本设计属于折射率引导型PCF，通过在纤芯处引入实芯破坏了包层光子晶体结构的周期性，使光能够被束缚在纤芯中沿轴向传播。与传统光纤相比，光子晶体光纤不仅具有灵活的结构优势，还具有一系列优良特性如无截止单模特性、负色散、非线性光学以及高双折射效应。在PCF的多孔结构中选择性填充对温度、磁场、压力等外界条件变化敏感的气体或液体，通过分析光信号变化可以实现基于PCF传感工作。与传统传感器相比，光子晶体光纤传感器由于设计灵活、体积小、灵敏度高，能够实时监测等优势，成为近年来研究的热点。

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是指发生在金属与介质表面的一种光学现象。入射光在介质表面发生全反射时会产生倏逝波，并激发金属内部自由电子的震荡产生表面等离子体波。当二者波数相等即满足频率匹配条件时发生SPR现象，此时入射光能量大量耦合到表面等离子体波中，导致入射光能量急剧下降，损耗谱上出现损耗共振峰，对应波长称为共振波长。共振波长对周围环境折射率的变化极为敏感，通过检测光谱上共振峰的移动可以实现待测物质折射率的测量，具有免标记、高精度、高效率的优势，在环境监测、生物化学、食品科学方面有巨大的研究价值。

随着科学技术的深入发展，研究人员将PCF传感器与SPR技术结合，通过改进结构设计和敏感材料选用实现技术进步。例如2020年Li等人在PCF内引入U型微槽结构并选用银-石墨烯复合结构作为敏感材料，在1.33-1.4的折射率探测范围内实现了最高可达12600nm/RIU的高精度折射率探测。

相对于传统单通道PCF-SPR传感器，多通道传感器在多分析物检测或自对照分析领域展现优势。例如2020年Yasli等人设计双通道PCF-SPR传感器并实现双分析物同步测量，两个传感通道分别获得2500nm/RIU与3083nm/RIU的平均波长灵敏度。

发明内容

为了克服单通道PCF-SPR传感器检测参数单一在应用范围与功能上的局限性以及多通道传感器中潜在存在的信号识别度差，灵敏度较低，传感响应高度非线性的问题，本发明提供一种新型双通道PCF-SPR传感器，利用光纤双折射效应，通过分别分析纤芯导模的两种基本偏振模式，即x偏振与y偏振的损耗谱实现双分析物同步传感。

为了实现以上发明目的，本发明提出了一种双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，其包括基底材料、纤芯、空气孔和传感通道，所述传感器以六边形三角晶格光纤为本体，中心为纤芯，最外层设置匹配层，所述纤芯与匹配层间设有空气孔a、空气孔b、第一传感通道和第二传感通道；所述空气孔a、空气孔b能将光场能量限制在纤芯区域，同时调节光纤空气填充率并微调双折射，改变纤芯有效模式折射率调节传感响应；所述纤芯的y正半轴、x正半轴上分别设有第一传感通道、第二传感通道，所述第一传感通道与第二传感通道的内壁均涂覆激发SPR效应的双层膜并填充待测液体，所述第一传感通道、第二传感通道相对圆心O的对称位置设有辅助空气孔，以调节双折射；所述第一传感通道的直径为3.6μm，与圆心O距离为5.2μm，第一传感通道内壁涂覆Au薄膜，并在Au薄膜上涂覆Ta₂O₅薄膜，共同作为SPR材料，第一传感通道内填充待测液体A；所述第二传感通道的直径为5μm，与圆心O距离为6μm，第二传感通道内壁涂覆Ag薄膜，并在Ag薄膜上涂覆Ta₂O₅薄膜，共同作为SPR材料，第二传感通道内填充待测液体B；所述Au薄膜、Ag薄膜和Ta₂O₅薄膜的厚度为30nm～50nm。

优选地，光纤基底材料为二氧化硅。

优选地，所述六边形三角晶格光纤的相邻空气孔中心距为2μm。

优选地，所述空气孔a的直径为1μm。

优选地，所述空气孔b的直径为1.5μm。

优选地，工作波长在近红外区域，y偏振光与x偏振光的损耗峰分别对第一传感通道和第二传感通道内待测介质折射率1.41～1.44范围的变化敏感，通过检测损耗峰的位置变化确定对应通道内待测介质的折射率。

优选地，在y方向：第一传感通道、辅助空气孔、空气孔a和空气孔b的连线穿过圆心O点，在x方向：第二传感通道、辅助空气孔、空气孔a和空气孔b的连线穿过圆心O点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，在传统的多孔PCF结构进行改进，在水平y方向上分别引入对称的大空气孔作为传感通道。大空气孔作为光纤内部与小空气孔相比有明显区分度的结构，有利于简化SPR材料的涂覆与待测介质的定向填充难度；

(2)双通道同步检测的光子晶体光纤传感器工作波长在近红外区域，折射率检测范围均为1.41～1.44；

(3)采用高折射率材料Ta₂O₅薄膜增强SPR效应并使传感器工作波长红移至近红外波段，相对传统PCF传感器工作在可见光波段，近红外光源更加经济适用型；同时针对Ag薄膜易受氧化及化学腐蚀的特性，在其外部涂覆Ta₂O₅薄膜对提升传感器的稳定性与工作寿命有积极作用；

(4)上述光纤内y偏振光与x偏振光的损耗峰对应波长分别对第一传感通道和第二传感通道内待测介质折射率的变化敏感，通过检测损耗峰的位置变化确定对应通道内待测介质的折射率，双通道传感响应信号区分度高；

(5)该第一传感通道可达到平均灵敏度11466nm/RIU，第二传感通道可达到平均灵敏度6833nm/RIU，且传感响应线性度高，信号解调简便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明第二传感通道定折射率n2＝1.43、第一传感通道在折射率区间n1＝1.41～1.44的y偏振模式损耗与波长的函数关系示意图；

图3为本发明第二传感通道固定折射率n2＝1.43、第一传感通道在折射率区间n1＝1.41～1.44的x偏振模式损耗与波长的函数关系示意图；

图4为本发明第一传感通道固定折射率n1＝1.43、第二传感通道在折射率区间n2＝1.41～1.44的x偏振模式损耗与波长的函数关系示意图；

图5为本发明第一传感通道固定折射率n1＝1.43、第二传感通道在折射率区间n2＝1.41～1.44的y偏振模式损耗与波长的函数关系示意图；

图6是以n1取1.43与1.44为例，针对Au薄膜厚度在30nm-40nm范围内对第一传感通道内传感响应影响进行的优化结果示意图；

图7是以n2取1.43与1.44为例，针对Ag薄膜厚度在40nm-50nm范围内对第二传感通道内传感响应影响进行的优化结果示意图；

图8是双通道共振波长与分析物折射率的对应关系示意图。

附图标记：

1、基底；2、纤芯；3、空气孔a；4、空气孔b；5、第一传感通道；6、第二传感通道；7、Au薄膜；8、Ta₂O₅薄膜；9、Ag薄膜；10、匹配层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。尽管附图中示出了实施例中传感器的结构及构成等各个方面，但为呈现出更明显的结构特征，除非特别指出，不必按照比例绘制附图。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。通常在此处附图中描述和展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实施例的详细描述并非旨在限制本发明要求保护的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它所有实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，如图1所示，传感器本体包括基底1，基底1的中心为纤芯2。基础光纤内含有五层六边形排列的空气孔，包括距离纤芯最近一层的空气孔a3与空气孔b4。在基础光纤设计上引入大空气孔作为传感通道，并移除相应位置的空气孔b4。其中，y向上引入大空气孔作为第一传感通道5，x方向上引入大空气孔作为第二传感通道6。在y方向：第一传感通道5、辅助空气孔、空气孔a3和空气孔b4的连线穿过圆心O点，在x方向：第二传感通道6、辅助空气孔、空气孔a3和空气孔b4的连线穿过圆心O点。

第一传感通道5中依次沉积Au薄膜7与Ta₂O₅薄膜8作为SPR材料，第二传感通道6内依次沉积Ag薄膜9与Ta₂O₅薄膜8作为SPR材料。在不影响传感灵敏度的前提下，为节省制造成本各方向上仅有一个大空气孔作为传感通道，其中分别涂覆SPR材料并填充待测液体，对称的大空气孔起辅助调节双折射作用，并不作处理。使用Comsol Multiphysics软件利用有限元分析法对传感器进行建模过程中，在基底外部设置完美匹配层10，完美匹配层厚度为1μm。完美匹配层作为性能仿真时的计算边界条件仅在仿真过程中使用，目的是确保没有额外泄露能量。

上述双通道同步检测的光子晶体光纤传感器中：

光纤基底材料为二氧化硅，其折射率由Sellmeier方程定义；

光纤内除传感通道外空气孔呈六边形或三角晶格状排列，相邻空气孔a3与空气孔b4的中心距设为2μm

纤芯2向外第一环空气孔a3直径为1μm，呈六边形排列；

纤芯2向外除第一环与传感通道外其它空气孔b4直径为1.5μm，相邻空气孔呈三角晶格状排列；

纤芯2垂直方向上大空气孔为第一传感通道5，其直径为3.6μm，中心距光纤圆心5.2μm。紧贴大空气孔内壁涂覆Au薄膜，厚度为30nm，在Au薄膜上涂覆Ta₂O₅薄膜8，其厚度为40nm，内部填充分析物A；

纤芯2x方向上大空气孔为第二传感通道6，其直径为5μm，中心距光纤圆心6μm。紧贴大空气孔内壁涂覆Ag薄膜9，厚度为40nm，在Ag薄膜9上涂覆Ta₂O₅薄膜8，其厚度为40nm，内部填充分析物B，第一传感通道5内填充待测液体A，第二传感通道6内填充待测液体B。

光纤传感器中SPR材料中Au薄膜7、Ag薄膜9的相对介电常数由对应的Drude-Lorentz模型定义。

光纤传感器中SPR材料中的Ta₂O₅薄膜8的折射率由

定义。式中λ为工作波长，单位为nm。

光纤传感器中双通道折射率检测范围均为1.41～1.44。

上述光纤传感器可通过预先封堵与传感通道无关的空气孔，然后利用毛细现象和压力差法将待测物质填充到未封堵的作为传感通道的大空气孔中，从而实现待测物质在上述传感器中的选择性填充。

光纤传感器工作前应使用熔接机将传统实芯单模光纤与完成待测物质填充的光子晶体光纤错位熔接，光由宽带光源通过偏振控制器后入射至光纤，通过光谱分析仪在另一侧获取出射光信号实时解调分析，通过实时获取的损耗谱内损耗峰的位置，结合下面的分析，即可确定对应传感通道内待测物质的折射率值，实现折射率传感。

光纤传感器工作过程中，当某一入射波长在介质表面激发的倏逝波与金属材料表面等离子体波满足频率匹配条件时，纤芯模式的光能量耦合到金属表面，即发生SPR效应。此时对应损耗谱会出现损耗峰，损耗峰对应波长称为共振波长。共振波长对传感通道内待测介质的折射率变化敏感，会随其变化而发生偏移。在上述双通道同步检测的光子晶体光纤传感器中，第一传感通道内折射率变化的传感响应如图2、图3所示，仅影响y偏振模式共振波长，对x偏振模式共振波长无影响。图2～图5中，横坐标代表波长，纵坐标代表损耗。第二传感通道内折射率变化的传感响应如图4、图5所示，仅影响x偏振模式共振波长，对y偏振模式共振波长无影响。

光纤传感器在仿真软件内建模优化时，损耗可由公式

确定。式中，λ为工作波长，Im(n_neff)代表该波长下基模有效模式折射率的虚部。根据该公式绘制不同折射率下两种偏振模式的损耗谱，波长灵敏度可由公式

计算。式中，δλ_res代表共振波长偏移量、δn_s代表折射率变化量。另外，幅值灵敏度可由公式

计算，式中，α(λ,n)代表某工作波长下损耗数值。

光纤传感器工作过程中，SPR材料中金属膜厚度对传感响应包括灵敏度以及损耗强度造成显著影响。分别对两个传感通道内金属膜厚度进行建模优化，结果如图7、图8所示，图中横坐标代表波长，纵坐标代表损耗强度。结果如图所示，在一定范围内，缩小金属膜厚度将获得更理想的传感响应。具体地，当第一传感通道内Au薄膜厚度在30nm、第二传感通道内Ag薄膜厚度在40nm时，两个传感通道内响应分别相对取得最高波长灵敏度并伴随有最明显损耗峰，同时在待测物质折射率1.44时分别达到最大幅值灵敏度，详细数值见下面分析。需要注意的是受限于计算机硬件，该设计可能存在额外优化空间。

具体地，当第一传感通道、第二传感通道内折射率在1.41～1.44范围内变化并固定另一通道内折射率保持不变时，折射率增加将引起对应偏振模式的共振波长发生红移。如图2所示，y偏振模式对应第一传感通道的共振波长分别为1439nm、1543nm、1658nm和1783nm，平均波长灵敏度为11466nm/RIU，最大幅值灵敏度达到-940.1RIU^-1，此时x偏振模式对应共振波长保持不变，如图3所示。另如图4所示，x偏振模式对应第二传感通道的共振波长分别为1232nm、1296nm、1365nm和1437nm，平均波长灵敏度达到6833nm/RIU，最大幅值灵敏度达到-1008RIU^-1，此时y偏振模式对应共振波长保持不变，如图5所示。假设光谱仪最小可分辨0.1nm，则上述传感器通道1和第二传感通道分辨率分别可达8.6×10^-6RIU和1.46×10^-5RIU。

图2～图5给出了，一通道在固定折射率1.43、另一通道在折射率区1.41～1.44时的偏振模式损耗谱曲线图。另仿真过程考虑固定折射率分别为1.41、1.42、1.44的情况其响应损耗谱图与图2～图5类似一通道内折射率变化均不会引起另一通道对应光谱损耗峰值的移动。可以验证上述双通道同步检测的光子晶体光纤传感器双传感通道具有高度独立性。

光纤传感器的共振波长与折射率变化拟合直线如图6所示，图6中给出双通道传感响应的一阶拟合直线方程及相关系数。其斜率在一定程度上反映了传感响应的平均灵敏度，由图6可见拟合直线的相关系数分别为0.9993和0.9983，均高度接近于1，相比于传统PCF-SPR传感器响应通常呈现高度非线性而言，本发明在取得可观的光谱灵敏度的前提下在整个探测范围内的传感响应变化均匀，展示出优秀的性能，并简化了后续信号解调过程。图6中Ey对应星形标记代表第一传感通道5(CH1)内共振波长与待测折射率1.41、1.42、1.43、1.44的对应关系，以Ey标记绘制第一传感通道5内共振波长与折射率的响应拟合直线，给出了拟合直线的一阶方程并计算相关系数；图6中Ex标记代表第二传感通道6(CH2)内共振波长与待测折射率1.41、1.42、1.43、1.44的对应关系，以Ex标记绘制第二传感通道内共振波长与折射率的响应拟合直线，给出了拟合直线的一阶方程并计算相关系数；

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，在传统的多孔PCF结构进行改进，在水平y方向上分别引入对称的大空气孔作为传感通道。大空气孔作为光纤内部与空气孔b 4相比有明显区分度的结构，有利于简化SPR材料的涂覆与待测介质的定向填充难度；

(2)双通道同步检测的光子晶体光纤传感器工作波长在近红外区域，折射率检测范围均为1.41～1.44；

(3)采用高折射率材料Ta₂O₅薄膜8增强SPR效应并使传感器工作波长红移至近红外波段。相对传统工作在可见光波段的PCF-SPR传感器，近红外光源更加经济适用。同时针对Ag薄膜易受氧化及化学腐蚀的特性，在其外部涂覆Ta₂O₅薄膜8对提升传感器的稳定性与工作寿命有积极作用；

(4)光纤内y偏振光与x偏振光的损耗峰分别对第一传感通道5和第二传感通道6内待测介质折射率的变化敏感，通过检测损耗峰的位置变化确定对应通道内待测介质的折射率，双通道传感响应信号区分度高；

(5)该第一传感通道可达到平均灵敏度11466nm/RIU，第二传感通道可达到平均灵敏度6833nm/RIU，且传感响应线性度高，信号解调简便。

相对于采用检测单一连续光谱下多损耗峰方法达到多参量同步检测的多通道PCF传感器而言，本发明通过优化内部结构调谐光纤双折射效应，达到通过监测光的不同偏振态下损耗峰的移动实现双通道折射率同步传感的目的，同时验证了双通道的高度独立性，克服了单一连续光谱下潜在的共振峰重叠导致的信号分辨率差的问题。本发明在环境监测、食品化学、生物医学等涉及高折射率样品检测的领域有潜在的研究价值。

以上所述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，本发明可以有而各种更改和变化。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。因注意到：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。

Claims (7)

1.一种双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，其包括基底材料、纤芯、空气孔和传感通道，其特征在于：

所述传感器以六边形三角晶格光纤为本体，中心为纤芯，外层设置匹配层，所述纤芯与匹配层间设有空气孔a、空气孔b、第一传感通道和第二传感通道；

所述空气孔a、空气孔b能将光场能量限制在纤芯区域，同时调节光纤空气填充率并微调双折射，改变纤芯有效模式折射率调节传感响应；

所述纤芯的y正半轴、x正半轴上分别设有第一传感通道、第二传感通道，所述第一传感通道与第二传感通道的内壁均涂覆激发SPR效应的双层膜并填充待测液体，所述第一传感通道、第二传感通道相对圆心O的对称位置设有辅助空气孔，以调节双折射；

所述第一传感通道的直径为3.6μm，与圆心O距离为5.2μm，第一传感通道内壁涂覆Au薄膜，并在Au薄膜上涂覆Ta₂O₅薄膜，共同作为SPR材料，第一传感通道内填充待测液体A；所述第二传感通道的直径为5μm，与圆心O距离为6μm，第二传感通道内壁涂覆Ag薄膜，并在Ag薄膜上涂覆Ta₂O₅薄膜，共同作为SPR材料，第二传感通道内填充待测液体B，所述Au薄膜、Ag薄膜和Ta₂O₅薄膜的厚度为30nm～50nm。

2.根据权利要求1所述的双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，其特征在于：光纤基底材料为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述六边形三角晶格光纤的相邻空气孔中心距为2μm。

4.根据权利要求1所述的双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述空气孔a的直径为1μm。

5.根据权利要求1所述的双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述空气孔b的直径为1.5μm。

6.根据权利要求1所述的双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，其特征在于：工作波长在近红外区域，y偏振光与x偏振光的损耗峰分别对第一传感通道和第二传感通道内待测介质折射率1.41～1.44范围的变化敏感，通过检测损耗峰的位置变化确定对应通道内待测介质的折射率。

7.根据权利要求1所述的双通道同步检测的光子晶体光纤传感器，其特征在于：在y方向：第一传感通道、辅助空气孔、空气孔a和空气孔b的连线穿过圆心O点，在x方向：第二传感通道、辅助空气孔、空气孔a和空气孔b的连线穿过圆心O点。

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