CN113640251A - D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器 - Google Patents

D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器 Download PDF

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李琦
张法碧
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孙堂友
陈永和
刘兴鹏
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Abstract

本发明提供了一种D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器。所述光纤SPR传感器包括具有开口环形通道和曲面侧壁的D型光子晶体光纤；包括纤芯、空气孔、金属膜、TiO2层、温敏介质、液体分析物及完美匹配层。本发明由光子晶体光纤的纤芯和大小一致的空气孔排列而成，基底材料为石英，纤芯的中间的一个空气孔填有温敏介质PDMS，并在其外圈涂有金属薄膜；在开口环形的平面上有金属薄膜与TiO2层。温敏介质的折射率随着温度改变而变化，同时纳米金层表面自由电子共振产生吸收峰，其共振波长会发生偏移，通过观测共振波长的偏移过程实现对温度的传感测量，采用的是表面等离子共振原理。该传感器灵敏度高，检测范围宽，抗腐蚀能力强。

Description

D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器
技术领域
本发明属于光纤表面等离子共振传感技术领域，具体涉及D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器。
背景技术
光纤表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)传感器对外界环境折射率的变化非常敏感，由于其具有灵敏度和分辨率高、能实时检测等优点而被广泛应用于各个领域。SPR是一个在界面处由于两种电磁波模式发生强烈耦合激发出表面等离子体激元波。由于入射光的共振峰位置对背景折射率非常敏感，因此，通过对共振峰位置的分析，能够有效的检测到由于各种因素引起的背景折射率变化。
表面等离子体共振(SPR)技术是近年来发展起来的一种新型传感检测方法。光纤SPR传感器是SPR传感技术发展的自然延伸，是实现传感器集成化、微型化、高灵敏度、高可靠性的具体体现，SPR传感的基本条件是倏逝场渗透到金膜中。多年来，随着科技的不断发展，在光学传感技术中，表面等离子体共振技术应用于传感器的研究热度很高。基于SPR技术的传感器对外界环境折射率的变化十分敏感，由于其具有灵敏度和分辨率高、动态范围广、能进行实时检测、易于制作等优点而被广泛应用于生物、化学和医疗等领域。相比于荧光检测等检测方法的不便性，SPR传感器具有无需对样品进行标记、待测样品无需纯化等优点，对于需要实时监测分子相互反应的动力学过程的检测具有极大的优势，且能提供高度精确的测量结果。
当今，随着现代检测技术的不断进步发展，等离子共振传感测试系统趋于小型化、集成化，且对传感器的灵敏度和抗干扰性有了更高的要求。
对于表面等离子体共振，其实就是是一种物理光学现象，追溯到1902年，就有了表面等离子体共振现象的研究，Wood发现光波通过光栅后光频谱会发生小区域的丢失，也就是SPR现象，但在当时并没有引起研究人员的广泛关注，所以只是对该现象进行了简单的记录。直到1941年对于SPR现象的解才被提出，Fano证明了这一异常现象是由于衍射光栅的金属与介质表面的电磁波激发了表面等离子体波。在1958年，Turbader用金属薄膜的全反射激励法观察到了表面等离子体共振现象。一直到1960年，先是由Swan和Powell 用电子激发法在金属和介电物质界面观察到了表面等离子体波，后来由Stern等人针对这种现象正式提出了表面等离子体波的概念，并且给出了金属表面电磁波的色散关系。在 1968年,Otto和Kretschmann相继研究出了能激发表面等离子体波的结构，都是利用衰减全内反射法来激发表面等离子体共振，这是一项非常有意义的一项研究。Otto提出结构的全内反射是在空气与棱镜界面，棱镜与金属薄膜之间存在非常窄的纳米级间隙，光子在空气与金属界面激发表面等离子体共振。1971年，Kretschmann结构沿用了Otto结构的棱镜耦合激发的方式，在棱镜的基底表面直接镀一层金属薄膜，简化了操作工艺的难度，光束从棱镜的一侧射入，发生全反射时在金属与空气的界面处产生表面等离子体共振。研究得出金属膜的厚度要求限定在100nm之内，因为若金属膜厚度太厚会无法激发表面等离子体共振。用棱镜耦合的方式来激发表面等离子体共振这些开创性的工作为现代SPR传感器的研究奠定了基础。1982年，Nylander等研究人员首先将SPR技术应用于气体传感器领域， 1990年，世界上第一台商业生物传感器由Biacore公司产出,进一步推进了SPR传感器在生物检测领域的发展。1993年，Jorgenson等研究人员就提出了用光纤来替代棱镜进行光传输的想法，还是基于Krestchmann棱镜结构的全反射的原理，设计并发表了光纤SPR传感器的成果，开创了研究基于光纤的SPR传感器的先河，使得远距离实时检测的小型化SPR 传感器成为可能。
在传统的传感器里有着单一不足的缺点，为了克服这一缺点，本发明提出了一种双参量混合的传感机制，实现了温度和折射率同时测量的表面等离子共振光子晶体光纤传感器。该传感器设计结构简单，灵敏度高，检测范围宽，抗腐蚀能力强，在未来的传感检测领域具有重要的应用前景。
发明内容
针对传感器检测参数单一技术、制作复杂、成本昂贵、灵敏度和精确性较低的问题，本发明的目的是提供一种基于光子晶体光纤表面等离子体共振的D型双芯双参量等离子体传感器。
通过了解其它传感器的结构与性能等方面，在它们的基础上不断地改进与探索，从而发明一种结构简单、易于制备、成本低、灵敏度较高的传感器，在光子晶体光纤中两纤芯之间的空气孔填有光敏介质，并在其内壁涂有金属薄膜，形成了温度和折射率的双参量的同时测量。
本发明通过以下技术方案实现的：
具体地，本发明提出一种D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器，如图1 所示，包括光纤传感器本体，其特征在于：所述光纤传感器本体由光子晶体光纤(1)、纤芯(2)、空气孔(3)、TiO2层(4)、温敏介质PDMS(5)、分析物传感区(6)、金属膜(7)和完美匹配层(8)组成，整个光子晶体光纤呈D型开口环形通道形状，整个内部有着23个空气孔并且平行排列成五层，第一层在环形通道的左右两侧各有两个空气孔，第二层在两纤芯的外面一侧各有两个，在两纤芯之间有着一个温敏介质PDMS(5)，其外圈有着一层金属膜(7)，第三、四、五层分别有着六、五、四个空气孔并且平行排列，在D型的侧抛平面有着一个环形通道，其内部有着一层金属膜(7)，在其表面还覆盖着一层薄薄TiO2层(4)。
通过有限元分析法进行分析，其折射率可根据Sellmeier方程算出。
所述光子晶体光纤(1)的侧抛平面为D型开口环形通道形，其开口环形内有一层金属薄膜(7)，金属膜的厚度为55nm，在其金属膜的表面覆盖了一层TiO2层(4)，厚度为10nm。
在两纤芯(2)之间的一个空气孔填充着温敏介质PDMS(5)，并且在其外面涂有一层厚度为45nm的金属膜(7)。
光子晶体光纤(1)的空气孔间距为16um，空气孔直径为7.5um。
D型表面有一个开口环形通道，其通道内壁有着两层物质，里面一层为金属膜(7)，其表面覆盖一层TiO2层(4)。
温敏介质为PDMS，其有着成本低、使用简单、粘附性良好等优点。
待测分析液的折射率检测范围为1.31到1.42。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是:
1、在本发明光子晶体结构中采用的是D型开口环形通道结构，金属薄膜在环形通道内，在其表面覆盖了一层TiO2层，实现了防止金属薄膜的氧化，其结构提高了传感器的容差性能。
2、D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器能实现折射率传感区间为1.31～1.42 的高灵敏度且检测范围广的传感，在其折射率区间为1.41～1.42内，传感性能的光谱灵敏度达到最大值，最大值为22000nm/RIU。
3、在本发明中使用的光敏介质为PDMS，其温度的检测范围为10℃～40℃，其温度灵敏度最高可达10000pm/℃。
附图说明
图1为本发明的光纤截面示意图。
图2为本发明在不同外界折射率时(n＝1.31～1.42)的损耗谱曲线图
图3为本发明在不同外界折射率时的SPR共振波长随折射率变化关系图。
图4为本发明在不同温度条件下(T＝10～40)的损耗谱曲线图。
图5为本发明在温度变化时共振波长变化曲线图。
图中标号为：1、光子晶体光纤，2、纤芯，3、空气孔，4、TiO2层，5、温敏介质PDMS，6、分析物传感区，7、金属膜，8、完美匹配层。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚明白，下面结合本发明的具体实例和参照附图，对本发明的技术方案进行清楚详细的描述。
具体地，本发明提出一种D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器，如图1 所示，包括光纤传感器本体，其特征在于：所述光纤传感器本体由光子晶体光纤(1)、纤芯(2)、空气孔(3)、TiO2层(4)、温敏介质PDMS(5)、分析物传感区(6)、金属膜(7)和完美匹配层(8)组成，整个光子晶体光纤呈D型开口环形通道形状，整个内部有着23个空气孔并且平行排列成五层，第一层在环形通道的左右两侧各有两个空气孔，第二层在两纤芯的外面一侧各有两个，在两纤芯之间有着一个温敏介质PDMS(5)，其外圈有着一层金属膜(7)，第三、四、五层分别有着六、五、四个空气孔并且平行排列，在D型的侧抛平面有着一个环形通道，其内部有着一层金属膜(7)，在其表面还覆盖着一层薄薄TiO2层(4)。
通过有限元分析法进行分析，其折射率可根据Sellmeier方程算出。
所述光子晶体光纤(1)的侧抛平面为D型开口环形通道形，其开口环形内有一层金属薄膜(7)，金属膜的厚度为55nm，在其金属膜的表面覆盖了一层TiO2层(4)，厚度为10nm。
在两纤芯(2)之间的一个空气孔填充着温敏介质PDMS(5)，并且在其外面涂有一层厚度为45nm的金属膜(7)。
光子晶体光纤(1)的空气孔间距为16um，空气孔直径为7.5um。
D型表面有一个开口环形通道，其通道内壁有着两层物质，里面一层为金属膜(7)，其表面覆盖一层TiO2层(4)。
温敏介质为PDMS，其有着成本低、使用简单、粘附性良好等优点。
待测分析液的折射率检测范围为1.31～1.42。
图2所示，此图描绘的是在待测分析液体不同折射率时的传感器损耗随波长变化的曲线图，折射率范围为1.31～1.43，由图可以知道，随着待测分析液折射率的升高，SPR的损耗的峰值也将逐渐升高，同时随着待测分析液的折射率的升高，其共振波长将向右移动，但是不管待测分析液怎么变化，通道1的损耗峰值不受影响。
图3所示，此图描绘的是不同外界折射率时的SPR共振波长随折射率变化关系，并且此图经过了二次函数拟合，拟合表达式为y(n)＝66833.17n2-176944.06n+117848.77，当待测分析液的折射率发生改变，并且以Δn＝0.01逐渐变大时，它的共振波长也将逐渐变大，最高峰为1420nm。同时此图也描绘的是不同外界折射率时即不同待测分析液折射率时的灵敏度曲线图，通过图2与图3的数据得到了在Δn＝0.01是，不同区间下的共振峰的偏移量即Δλpeak，再通过灵敏度公式S(λ)＝Δλpeak/Δn，从而得到不同灵敏度。从图可以看出待测分析液的折射率以刻度为0.01从1.31涨到1.42时，他的灵敏度也是在变化的，在1.41～1.42 区间里，灵敏度达到了最大值，最大为22000nm/RIU,在1.31～1.32区间里，此时灵敏度最小，最小为2000nm/RIU，平均灵敏度为6454.54nm/RIU。
图4所示，此图描绘的是不同温度条件下通道1的损耗谱曲线图。T的取值范围为10℃～40℃，由图可以得到，随着温度T的升高，通道1的共振波长是向左移的，此时温度灵敏度为负值。
图5所示，此图描绘的是在通道1温度变化时共振波长变化曲线图，并且图经过了线性拟合，拟合函数表达式为y(t)＝-5.21t+728.93,从图可以看出随着温度的升高共振波长是逐渐减少的，而且在测得的数据中温度区间为10℃～15℃时，温度灵敏度为最大值，最大为10nm/℃。
最后，本发明所述的D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器，通过多次选择性的仿真实验，最终金属膜选择的是金，实现了温度、折射率的双参数测量。该传感器设计结构简单，灵敏度高，检测范围宽，抗腐蚀能力强，在未来的传感检测领域具有重要的应用前景。
以上所述的实施例是说明性的，是对发明的目的、技术方案及性能进一步的详细说明，所以不局限于上述具体实施方式中。凡是本领域技术人员在通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案进行其它实施方式，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器，如图1所示，包括光纤传感器本体，其特征在于：所述光纤传感器本体由光子晶体光纤(1)、纤芯(2)、空气孔(3)、TiO2层(4)、温敏介质PDMS(5)、分析物传感区(6)、金属膜(7)和完美匹配层(8)组成，整个光子晶体光纤呈D型开口环形通道形状，整个内部有着23个空气孔并且平行排列成五层，第一层在环形通道的左右两侧各有两个空气孔，第二层在两纤芯的外面一侧各有两个，在两纤芯之间有着一个温敏介质PDMS(5)，其外圈有着一层金属膜(7)，第三、四、五层分别有着六、五、四个空气孔并且平行排列，在D型的侧抛平面有着一个环形通道，其内部有着一层金属膜(7)，在其表面还覆盖着一层薄薄TiO2层(4)。
2.根据权利要求1所述的D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器，其特征在于：通过有限元分析法进行分析，其折射率可根据Sellmeier方程算出。
3.根据权利要求1所述的D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器，其特征在于：所述光子晶体光纤(1)的侧抛平面为D型开口环形通道形，其开口环形内有一层金属薄膜(7)，金属膜的厚度为55nm，在其金属膜的表面覆盖了一层TiO2层(4)，厚度为10nm。
4.根据权利要求1所述的D型双芯光子晶体光纤双参量传感器，其特征在于：在两纤芯(2)之间的一个空气孔填充着温敏介质PDMS(5)，并且在其外面涂有一层厚度为45nm的金属膜(7)。
5.根据权利要求1所述的D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器，其特征在于：光子晶体光纤(1)的空气孔间距为16um，空气孔直径为7.5um。
6.根据权利要求1或3所述的D型双芯光子晶体光纤双参量传感器，其特征在于：D型表面有一个开口环形通道，其通道内壁有着两层物质，里面一层为金属膜(7)，其表面覆盖一层TiO2层(4)。
7.根据权利要求1或4所述的D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器，其特征在于：温敏介质为PDMS，其有着成本低、使用简单、粘附性良好等优点。
8.根据权利要求1所述的D型双芯光子晶体光纤双参量等离子体传感器，其特征在于：待测分析液的折射率检测范围为1.31到1.42。
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CN107807338A (zh) * 2017-12-04 2018-03-16 沈阳建筑大学 基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器及测量方法

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