CN113514423B - 基于切孔型的d型光子晶体光纤的等离子谐振折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于切孔型的D型光子晶体光纤的等离子谐振折射率传感器，属于光子晶体光纤传感技术领域。所述等离子谐振折射率传感器包括：D型光子晶体光纤；所述D型光子晶体光纤包括纤芯和包覆于纤芯外部的包层；所述包层具有一圆弧曲面和一抛磨面，所述抛磨面上覆有金属层；包层内沿纤芯轴向设有若干贯穿的空气孔；所述空气孔包括两个对称设置于纤芯左右两侧的D型孔和设置在所述D型孔外围的圆型孔阵列。切孔型D型结构进一步提高了SPR的激发效率，加强了分析物与纤芯的相互作用，能实现折射率传感区间为1.35～1.45的高灵敏度传感。且在折射率区间1.35～1.45内，传感性能最大光谱灵敏度达到了10450nm/RIU，远高于传统光纤传感器。
Description
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤传感技术领域，具体涉及一种基于切孔型的D型光子晶体光纤的等离子谐振折射率传感器。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)描述了一个发生在金属和介质界面处，入射光激发金属中传导电子，使其集体震荡的现象。由于SPR效应对折射率变化的检测极度灵敏，所以SPR传感器已经被广泛应用于生化检测的研究当中。
现有技术中，传统棱镜型的SPR传感器难以小型化且系统复杂不易封装和实用化，只能在实验室中使用，对外部环境的检测，远距离检测具有局限性。小型化SPR传感器的光纤结构都不能很好地控制在光纤中能有效激发SPR的那部分光波的模式和它们的光场分布，通常基于这些光纤结构的SPR传感器的SPR激发效率都并不高。
与传统光纤相比，光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)具有光学损耗小、光学非线性度高等特点，因而被广泛应用于生物传感、药品和气体检测等领域。D型光子晶体光纤是指PCF的侧面是一个平面，从横截面处观察是一个近似的大写字母D。D型光子晶体光纤主要是通过激光刻蚀和光纤研磨抛光技术对圆柱体的PCF进行微加工处理，去除光纤的部分包层形成。
将SPR技术与PCF相结合逐渐成为新的研究方向，基于表面等离子体共振的光子晶体光纤(SPR-PCF)传感器应运而生，与传统光纤传感器相比，SPR-PCF传感器在交叉敏感、耦合损耗及保偏特性等主要问题上较大改进。而D型SPR-PCF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，因此D型SPR-PCF传感器应用更广。
Tianye Huang在2017年提出了一种使用氧化钛作为金属镀层的D型SPR-PCF传感器，在折射率为1.28-1.34时的灵敏度可达6000nm/RIU；同年，Rahul Kumar Gangwar等提出了一种镀金膜的D型SPR-PCF传感器，灵敏度可达7700nm/RIU，折射率测量范围为1.43-1.46；2019年，Haiwei Fu等提出了一种使用石墨烯包覆银纳米棒代替金属层的D型SPR-PCF传感器，其灵敏度在折射率为1.33-1.39时可达8860nm/RIU。
专利CN110376161A公开了一种使用双损耗峰检测的D型光子晶体光纤折射率传感器，该传感器的两个损耗峰分别位于长、短波两个不同的波段，为实际应用提供了很好的观察光谱仪选择的兼容性和替代性；但是，该传感器对待测分析物液体的折射率分析范围为1.377-1.385，传感参量的检测范围较窄。专利CN112098339A公开了一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器，其可以实现温度、磁场强度和折射率的多参量同时检测，但是其光纤结构较为复杂，光场分布相对分散。专利CN109596573A公开了一种基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器，其检测的待测液体的折射率范围为1.33-1.39，但是在这一折射率范围内的线性拟合度不佳。
综上，虽然现有技术中已有诸多关于D型SPR-PCF传感器的报道，但是，传感参量的检测范围、灵敏度和线性度还有很大的提升空间。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种基于切孔型的D型光子晶体光纤的等离子谐振折射率传感器。本发明通过设置一对D型孔打破光子晶体的传输禁带，从而获得特定的传输波长和传输模式，在这种特定模式下，能有效提高SPR的激发效率，获得优异的传感性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种基于切孔型的D型光子晶体光纤的等离子谐振折射率传感器，包括：D型光子晶体光纤；
所述D型光子晶体光纤包括纤芯和包覆于纤芯外部的包层；
所述包层具有一圆弧曲面和一抛磨面，所述抛磨面上覆有金属层；包层内沿纤芯轴向设有若干贯穿的空气孔；
所述空气孔包括两个对称设置于纤芯左右两侧的D型孔和设置在所述D型孔外围的圆型孔阵列。
优选的，所述圆型孔阵列由五层平行排列的圆型孔组成；第一层圆型孔包括6个圆型孔，所述两个D型孔位于6个圆型孔的中间位置；第二层圆型孔包括7个圆型孔；第三层圆型孔包括6个圆型孔；第四层圆型孔包括5个圆型孔；第五层圆型孔包括2个圆型孔。
优选的，圆型孔阵列中的圆型孔的孔径相等。
优选的，圆型孔阵列中，光子晶体周期Λ＝2μm。
优选的，D型孔的宽度D1与圆型孔的孔径D的比值D1/D＝0.78。
进一步的，所述圆型孔的孔径为1.6μm。
优选的，所述纤芯与包层的材料均为折射率为1.45的石英。
优选的，纤芯的中心与包层的抛磨面之间的距离D2为1μm。
光子结晶体光纤的传播模式的光场集中在两个D型孔之间的区域，满足SPR的激发模式其电场偏振方向垂直于金膜，对应的传播模式分布如图4(a)–(b)所示，其光场主要沿着水平的横向方向，在竖直方向上的电场与金膜之间存在一定的距离。为了能够让光纤中的光与金膜外的物质相互作用，实现传感，D2的距离则不宜过大，否则倏逝场的强度将大打折扣；但如果D2的距离过小则会破坏光子晶体的结构，将不再满足光子晶体光纤的传导模式。经反复试验，将D2的距离确定为1μm，在满足光子晶体光纤传导模式的前提下，还能尽可能保证倏逝场的强度。
优选的，所述金属层的材料为金，金属层的厚度为50nm。
本发明的有益效果：
本发明所使用的切孔型D型结构进一步提高了SPR的激发效率，加强了分析物与纤芯的相互作用。本发明传感器的折射率的检测分析范围宽，能实现折射率传感区间为1.35-1.45的高灵敏度传感；而且在整个折射率区间1.35-1.45内，线性拟合度高达0.99879拥有更好的线性响应；传感性能最大光谱灵敏度达到了10450nm/RIU，远高于传统光纤传感器。本发明通过有限元法(FEM，Finite Element Method)从理论仿真上实现了基于D型光子晶体光纤表面等离子体共振的折射率传感器的传感要求。
和现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)与专利CN110376161A公开的一种使用双损耗峰检测的D型光子晶体光纤折射率传感器相比，本发明的传感折射率范围为1.35-1.45，比前者传感范围1.377-1.385有更宽的传感范围。
2)与专利CN112098339A公开的一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器相比，本发明拥有更简易的光纤结构和更集中的光场分布。就SPR传感器而言，集中的电场分布也意味着更强的倐逝场，而倐逝场的穿透深度及大地影响着传感器的灵敏度。
3)与专利CN109596573A公开的基于表面等离子体共振的新D型结构光子晶体光纤传感器相比，本发明的线性拟合度高达0.99879拥有更好的线性响应，大大提高了传感的效率和准确性。其次，相比于10100nm/RIU的波长灵敏度，本发明的传感器灵敏度达到了10450nm/RIU，性能有较高的提升。再次，专利CN112098339A虽然在折射率区间1.42-1.43内的灵敏度能够达到66000nm/RIU，但是由于其折射率检测范围太窄，实际应用时受到的限制较大。
附图说明
图1：本发明的基于切孔型的D型光子晶体光纤的等离子谐振折射率传感器的端面结构示意图；图中，1-待测分析物液体，2-金膜，3-石英，4-D型孔，5-圆型孔。
图2：基模有效折射率与波长的对应关系。
图3：通过损耗计算出的光纤透射光谱。
图4：光子晶体光纤中SPP模场分布图；其中，a-c表示的SPP模场分别与图3中n＝1.37、1.41、1.45的峰共振波长位置相对应。通过图4可以得出光场分布信息。
图5：利用透射光谱谐振峰的变化可以得出共振波长与分析物折射率的函数关系。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
术语说明：
光子晶体周期：本专利中的“光子晶体周期”是指相邻空气孔之间的距离。本专利的光子晶体周期Λ＝2μm，其表示的是圆型孔阵列中除D型孔两侧的两个圆型孔之外，其他每一层平行排列的圆型孔其相邻两个圆型孔的圆心之间的间距均为2μm，每一列的圆型孔其上下相邻两个圆型孔的圆心之间的间距也均为2μm。
正如背景技术部分所介绍的，现有的D型SPR-PCF传感器传感参量的检测范围、灵敏度和线性度还有很大的提升空间。
基于此，本发明的目的在于开发设计一种检测范围、灵敏度和线性度俱佳的D型SPR-PCF传感器。
现有D型SPR-PCF传感器中存在周期性排列的空气孔，即有周期性变化的折射率。当光在周期性的折射率的介质中传播时，会类似于电子在半导体中的传播。产生的结果就是某一波段的光无法传播，我们称之为禁带。而当周期性介质中某一个位置出现差异或者变化时，这一处的周期性排列将被打破，从而导致禁带被打破，即光子会被局限在这一处，这种现象又称为光子晶体的局域性。
针对这一局限，本发明在纤芯左右两侧对称设置了两个D型孔，打破光子晶体的传输禁带，从而获得特定的传输波长和传输模式。本发明研究发现，与其他形貌的孔相比，将纤芯左右两侧的孔设计为D型孔能够有更高的透过率，而且通过D型孔获得的这种特定模式能有效提高SPR的激发效率，获得优异的传感性能。
进一步研究发现，D型孔的大小影响了纤芯光场的光子局域特性，进而影响倐逝场强度，改变SPR传感的灵敏度以及谐振峰的消光比。因此，本发明对D型孔的大小进行了优化，优化过程如下：
1、分析比较模式光场的倐逝场强弱随着D型孔的宽度D1的大小的变化；2、比较传输模式有效折射率与SPR模式折射率重合度随着D型孔的宽度D1大小的变化。
通过这两点分析比较，最终得到最优的结构参数，即：D型孔的宽度D1与圆型孔的孔径D的比值D1/D＝0.78。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
实施例1：基于切孔型的D型光子晶体光纤的等离子谐振折射率传感器的结构设计及性能分析
本发明的基于切孔型的D型光子晶体光纤的等离子谐振折射率传感器的端面结构如图1所示。该传感器包括：D型光子晶体光纤；所述D型光子晶体光纤包括纤芯和包覆于纤芯外部的包层，所述包层的材料为折射率为1.45的石英3。
所述包层具有一圆弧曲面和一抛磨面，所述抛磨面上覆有金膜2，金膜的厚度为50nm，用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料；紧挨着金膜的是液体分析物1，传感器在使用时将光纤完全浸没在待测分析物液体1里即可。
包层内沿纤芯轴向设有若干贯穿的空气孔；所述空气孔包括两个对称设置于纤芯左右两侧的D型孔4和设置在所述D型孔4外围的圆型孔阵列。两个D型孔包裹的区域为纤芯。所述圆型孔阵列由五层平行排列的圆型孔5组成；第一层圆型孔包括6个圆型孔，所述两个D型孔位于6个圆型孔的中间位置；第二层圆型孔包括7个圆型孔；第三层圆型孔包括6个圆型孔；第四层圆型孔包括5个圆型孔；第五层圆型孔包括2个圆型孔；光子晶体周期Λ＝2μm。包层中空气孔的存在降低了有效折射率，从而实现了包层区域对光纤纤芯区域的折射率降低，这为实现全内反射，将光限制在纤芯中传输起到了决定性作用。
圆型孔5的直径D＝1.6μm，D型孔的宽度D1与圆型孔的孔径D的比值D1/D＝0.78，在这种情况下，纤芯模式的传播常数更好地满足了表面等离子谐振的条件，提高了SPR的激发效率。
本发明传感器的结构设计和性能分析的模拟是借助COMSOL Multiphysics有限元分析软件中的波动光学模块，利用模式分析得到的有效折射率和模式分布。并根据有效折射率的结果得到其色散特性和损耗数据。
在传感器使用过程中，选择折射率范围为1.35-1.45的待测分析物，根据实时测量获得的光谱中因损耗而出现的谷所对应的波长位置，就将对应下面分析中光纤纤芯模式的损耗峰位置。在仿真模型中，我们利用损耗光谱计算出光子晶体光纤对应的透射光谱。
图2为基模有效折射率与波长的对应关系，由图2可知，在700～1000nm这个波长范围内，当分析液折射率为1.37时，在800nm附近发生了等离子体共振，说明当基模有效折射率曲线和等离子体模有效折射率相等时，纤芯损耗达到峰值。
图3是通过损耗计算出的光纤透射光谱，图中给出了比较典型的六个透射光谱，对应的折射率分别为1.35、1.37、1.39、1.41、1.43、1.45。可见，随着待测液体折射率的增加，吸收峰强度不断增加，且共振波长向长波长方向移动，即红移。因此，通过检测共振波长就可以实现对待测液体折射率的直接分析，大大简化了传感步骤，增加传感效率。随着折射率的增大，可以看见透射光谱的消光比也随之减小。这说明当待测区域1中的折射率增加到一定的数值时，将不会再满足SPP的激发条件。
图4是光子晶体光纤中SPP模场分布图。其中，a-c表示的SPP模场分别与图3中n＝1.37、1.41、1.45的峰共振波长位置相对应，可以发现三个SPP峰处的模场分布一样，只是SPP模的强弱有些许差异，这说明随着折射率的增大，SPP模式在相应位置处仍然被激发。
图5利用透射光谱谐振峰的变化可以得出共振波长与分析物折射率的函数关系，即y＝10450x-13515与之对应的拟合线性系数为0.99879。根据传感原理，可以得到10450nm/RIU的波长灵敏度。
对比例1：
将实施例1的传感器结构中的两个D型孔4的形状调整为椭圆孔，椭圆孔的长轴长为为1.6μm，短轴长为0.8μm；其余结构不变。
对比例2：
将实施例1的传感器结构中D型孔的宽度D1与圆型孔的孔径D的比值D1/D调整为0.36；其余结构不变。
对比例3：
将实施例1的传感器结构中D型孔的宽度D1与圆型孔的孔径D的比值D1/D调整为0.84；其余结构不变。
采用实施例1的方法对结构调整后的对比例1-对比例3的传感器的性能进行分析，结果如表1所示。
表1：
| 组别 | 折射率检测范围 | 线性拟合度 | 灵敏度 |
| 对比例1 | 1.36-1.44 | 0.87561 | 735nm/RIU |
| 对比例2 | 1.35-1.46 | 0.97475 | 872nm/RIU |
| 对比例3 | 1.35-1.45 | 0.98115 | 941nm/RIU |
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于切孔型的D型光子晶体光纤的等离子谐振折射率传感器，其特征在于，包括：D型光子晶体光纤；
所述D型光子晶体光纤包括纤芯和包覆于纤芯外部的包层；
所述包层具有一圆弧曲面和一抛磨面，所述抛磨面上覆有金属层；包层内沿纤芯轴向设有若干贯穿的空气孔；
所述空气孔包括两个对称设置于纤芯左右两侧的D型孔和设置在所述D型孔外围的圆型孔阵列；
所述圆型孔阵列由五层平行排列的圆型孔组成；第一层圆型孔包括6个圆型孔，所述两个D型孔位于6个圆型孔的中间位置；第二层圆型孔包括7个圆型孔；第三层圆型孔包括6个圆型孔；第四层圆型孔包括5个圆型孔；第五层圆型孔包括2个圆型孔；
圆型孔阵列中的圆型孔的孔径相等，为1.6μm，光子晶体周期Λ＝2μm；
D型孔的宽度D1与圆型孔的孔径D的比值D1/D＝0.78；
纤芯的中心与包层的抛磨面之间的距离D2为1μm。
2.根据权利要求1所述的等离子谐振折射率传感器，其特征在于，所述纤芯与包层的材料为石英。
3.根据权利要求1所述的等离子谐振折射率传感器，其特征在于，所述金属层的材料为金，金属层的厚度为50nm。
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