CN116124744A

CN116124744A - 一种基于表面波的相干多芯光纤探针

Info

Publication number: CN116124744A
Application number: CN202211397105.6A
Authority: CN
Inventors: 史金辉; 秦春花; 王亦渊; 朱单丹; 李玉祥; 朱正; 关春颖
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2023-05-16

Abstract

本发明公开了一种基于表面波的相干多芯光纤探针，包括多芯光纤和金属薄膜，所述金属薄膜上设置有金属微结构孔，所述多芯光纤包括光纤包层和分布在所述光纤包层内部的纤芯，所述纤芯设置为至少两根，所述金属薄膜覆盖在所述纤芯的尖端，所述纤芯内部通道中的入射光为偏振态正交或相同的信号，所述入射光从所述金属薄膜的表层或从所述金属微结构孔激发出表面等离激元并传输，利用入射光之间的相位差动态调控微参量的敏感度。本发明采用一种基于表面波的相干多芯光纤探针，可以根据所需实现环境的任意参量传感，不需要严格的空间准直、耦合光路，消除入射光倾斜入射对器件性能的影响，具有低能耗、动态调谐、集成度高、结构微小、系统稳定等特点。

Description

一种基于表面波的相干多芯光纤探针

技术领域

本发明涉及纳米光学技术领域，尤其是涉及一种基于表面波的相干多芯光纤探针。

背景技术

随着纳米科技的到来，人们对医疗、环境、疾病预防以及生化领域的物质检测提出了更高的要求。但目前对于含量低以及微小物质的检测还存在着一系列的技术难题。因此，研究高灵敏度、高分辨率、高集成度的传感检测技术并研制相应的传感检测仪器成为了目前传感检测领域的重要课题。表面等离激元(SPP)由于其具有能在亚波长尺度突破衍射极限、能量高度局域且能实现近场增强等特性引起了广泛的关注和研究。在介质传播的表面等离激元通常被称为表面波。其优点主要表现在两方面，一方面表面等离激元是由入射电磁波激发的一种很弱的衰减共振，它对金属周围介质的折射率、温度等变化极其敏感，因此可以利用这一特性制作传感器。另一方面，表面等离激元能突破衍射极限，在亚波长尺度下实现对光场的调控。基于这些优点，表面等离激元己广泛应用于生物/化学传感、表面增强拉曼散射、信号传输、增强非线性效应以及超分辨成像等领域。

光纤作为一种通用的光学器件，具有抗干扰性强、灵活性强、光传输距离长等优点。光纤的应用和使用早已超越了简单地将信息从光源传送到探测器的能力。在许多应用中，光纤最吸引人的特点是利用长距离传播的可能性，使得光和物质之间的相互作用得到了扩展。然而，对于最先进的光子功能，如信号通路、光滤波和传感，标准的解决方案是借助于外部的光学电路，但这种方法需要可靠和准确地控制信号传输光纤和更复杂电路之间的耦合。最近的光纤在线实验室技术提供了一种方法来克服这种固有的限制，即在光纤尖端上利用微结构实现光学通信和探测。

20世纪70年代，随着光纤通信技术的发展光纤传感技术也随之崛起，通过利用光纤周围分布的倏逝场与待测介质的相互作用进行传感。光纤传感器用光纤传导作为测量敏感信息的光，同时兼顾了光纤和光学测量的优点。进入21世纪后，结合了光纤技术和微纳米加工技术的微纳光纤成为研究的热点。微纳光纤由于具有强光场约束、强倏逝场以及小质量等独特的光学特性，使得其在光传输、耦合以及传感检测等领域具有极大地应用价值。表面等离激元光纤传感技术结合了表面等离激元传感技术的高灵敏度和光纤传输技术的高带宽低损耗的特点，能够在微纳尺度上实现对光的调控和传感检测等操作从而突破传统传感器的瓶颈问题，是实现两者应用价值的有效途径之一。随着表面等离激元相关理论和应用的快速发展以及纳米加工工艺的成熟，表面等离激元对外部环境变化十分敏感的特性和分子检测领域对微量检测的需求不谋而合，因此基于表面等离激元的探针应运而生，而且迅速成为研究的热点。

光纤表面等离激元探针是基于表面等离激元原理的一种高效光纤传感技术，具有高效、灵敏、生物兼容性好、可实时监测的优点。由于待检测目标的多样化，单通道的表面等离激元的探针已经不能满足需求。研制多通道表面等离激元探针成为研究热点，相比多通道其在测量上更加精准。Peng等研究了双通道表面等离激元光纤探针(Opt.Lett.，2005，30(17):2218-2220)，能够通过一个探头的两面分别探测不同的表面等离激元信号。Liu等人研究双通道表面等离激元探针，在光纤的倾斜面上镀制厚度为50nm的金膜，通过模式噪声的减弱可以获得高达6463nm/RIU的灵敏度(Opt.Lett.40，2015，2826-2829)。在单根光纤上利用光栅制作多个通道的表面等离激元探针已被研究(Opt.Lett.，2015，40(1):115-118)，但在灵敏度上还存在欠缺。采取光纤在线实验室技术，在纳米尺度的范畴上发展高性能的新型光纤探针对提高医学诊断水平，加强食品安全的检测，防范有害物质等方面发挥着不可忽视的作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于表面波的相干多芯光纤探针，可以根据所需实现环境的任意参量传感，而且不需要严格的空间准直、耦合光路，消除入射光倾斜入射对器件性能的影响，具有低能耗、动态调谐、集成度高、结构微小、系统稳定等特点。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于表面波的相干多芯光纤探针，包括多芯光纤和金属薄膜，所述金属薄膜上设置有金属微结构孔，所述多芯光纤包括光纤包层和分布在所述光纤包层内部的纤芯，所述纤芯设置为至少两根，所述纤芯为单模且折射率相同，所述金属薄膜覆盖在所述纤芯的尖端；

所述纤芯内部通道中的入射光为偏振态正交或相同的信号，所述入射光从所述金属薄膜的表层或者从所述金属微结构孔激发出表面等离激元并传输，利用入射光之间的相位差动态调控微参量的敏感度。

优选的，所述入射光是两束频率、传播速度相同、偏振方向互相正交或相同的线偏振光。

优选的，所述纤芯为双芯、三芯、环形芯中的一种，所述纤芯之间信号不相互串扰。

优选的，所述金属微结构孔为H形、U形、矩形、梯形、菱形、圆形中的一种，空间分布为满足金属纳米孔阵列激发表面波条件将其设置为周期或非周期结构。

优选的，所述金属薄膜与所述金属微结构孔均选用金、银、铝中的一种，采用电子束蒸镀技术在处理过的纤芯端面制备一定厚度的金属膜，利用聚焦离子束刻蚀技术加工金属表面的微结构。

优选的，所述纤芯的端面为楔形、斜端面、圆锥中的一种。

因此，本发明提供了一种基于表面波的相干多芯光纤探针，可以根据所需实现环境的任意参量传感，而且不需要严格的空间准直、耦合光路，消除入射光倾斜入射对器件性能的影响，具有低能耗、动态调谐、集成度高、结构微小、系统稳定等特点。

另外，与现有技术相比，本发明的优点为：

1、该多芯光纤探针高效，灵敏，装置易于实现；

2、由于金属微结构孔的灵活设计，可使多芯光纤探针的传感特性易于调控；

3、多芯光纤探针的灵敏度仅与金属材料和微结构设计有关，传感特性不受其他因素影响。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的流程图；

图2为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的光纤端面金属微结构孔传感示意图；

图3为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的光纤尖端金属薄膜传感示意图；

图4为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的圆形金属微结构孔示意图；

图5为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的双圆形金属微结构孔示意图；

图6为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的梯形金属微结构孔示意图；

图7为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的H形金属微结构孔示意图；

图8为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的矩形金属微结构孔示意图；

图9为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的U形金属微结构孔示意图；

图10为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的矩形金属微结构孔排布图；

图11为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的L形金属微结构孔排布图；

图12为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的H形金属微结构孔排布图；

图13为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的圆形金属微结构孔排布图；

图14为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的双芯纤芯排布图；

图15为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的三芯纤芯排布图；

图16为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的环形芯纤芯排布图；

图17为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的四芯纤芯排布图；

图18为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的纤尖单面侧抛示意图；

图19为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的纤尖双面侧抛示意图；

图20为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的δ＝0相位控制传感效果图；

图21为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的δ＝π/2相位控制传感效果图；

图22为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的δ＝π相位控制传感效果图；

图23为本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针实施例的δ＝3π/2相位控制传感效果图；

其中，1、金属微结构孔；2、探测物；3、纤芯；4、光纤包层；5、入射光信号。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

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部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示意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。

实施例

本发明提供了一种基于表面波的相干多芯光纤探针，包括多芯光纤和金属薄膜，金属薄膜上设置有金属微结构孔1，多芯光纤包括光纤包层4和分布在光纤包层4内部的纤芯3，纤芯3为单模且折射率相同，金属薄膜覆盖在纤芯的尖端。金属薄膜完全覆盖在光纤尖端，入射光传输到金属薄膜上利用全内反射产生的倏逝波透过金属膜激发出表面波，在光纤尖端局域增强，形成能量热点，实现多参量的高灵敏度传感，比如温度、折射率、浓度、微扰。金属薄膜与金属微结构孔均选用金、银、铝中的一种，采用电子束蒸镀技术在处理过的纤芯端面制备一定厚度的金属膜，利用聚焦离子束刻蚀技术加工金属表面的微结构。金属微结构孔为H形、U形、矩形、梯形、菱形、圆形中的一种，空间分布为满足金属纳米孔阵列激发表面波条件将其设置为周期或非周期结构。

纤芯3的端面为楔形、斜端面、圆锥中的一种，纤芯3设置为至少两根纤芯3为双芯、三芯、环形芯的一种，纤芯3之间信号不相互串扰。

纤芯3内部通道中的入射光为偏振态正交或相同的信号，入射光从金属薄膜的表层或者从金属微结构孔激发出表面等离激元并传输，利用入射光之间的相位差动态调控微参量的敏感度。入射光在金属薄膜表层或者在金属微结构孔激发出表面等离激元并传输，并在尖端形成热点或者在光纤端面金属微结构孔中激发表面等离激元，研究光纤探针的场增强或谐振峰现象，并探索表面波与外部环境的相互作用，应用到微量传感领域利用入射光之间的相位差动态调控不同微参量的敏感度。不同相位差的入射光激发的金属表面等离激元强度不同，从而达到对外部环境的多种参量监测。表面波传感可利用入射光之间的相位差动态调控不同微参量的敏感度。不同相位差的入射光激发的金属表面等离激元强度不同，从而达到对外部环境的多种参量监测。

金属微结构孔激发表面等离激元的原理：当光照射在纳米孔阵列的金属膜上时，金属膜上的孔阵列具有散射效应，入射的电磁波也会发生互相干涉，这两种情况下会产生衍射波，局域在金属表面的部分衍射波则会激发表面等离激元。

这种基于表面波的相干多芯光纤探针，利用光纤纤芯入射光信号5间不同相位差实现多参量传感，该传感器可拓展到生化检测、环境气体监测以及折射率领域。

实施例中纤芯为入射光的载体，在到达金属微结构孔或金属表面激发出表面等离激元，在金属微结构孔表面存在一种基于表面波的相干多芯光纤探针的探测物2，表面等离激元传输并会聚在纤尖会激发出局域增强场效应，外部环境的折射率、浓度或折射率改变时，利用场效应的改变可以识别微参量的变化。图2、3分别呈现了金属微结构孔置于光纤端面和金属薄膜包覆纤尖的情况。其中，选择不同金属微结构孔可以激发不同的表面等离共振，图4-9提供了金属微结构孔的单元形状。不同的空间排布也可以决定等离激元的共振强度，图10-13提供了金属微结构孔的排布参考示意图。由于多通道可以为微参量探测增加新的自由度，这里列举了一些纤芯的分布参考示意图，如图14-17所示。考虑到不同的应用场合，光纤纤尖的体现不同，图18为光纤纤尖单边侧抛时的多芯光纤传感示意图，而图19为光纤纤尖双边侧抛时的多芯光纤传感示意图。

另外，以双通道的圆锥纤尖光纤为例，圆锥纤尖被金属薄膜覆盖，两束入射光垂直入射，在金属薄膜上激发表面等离激元，沿着纤尖传输后形成一个局域增强的热点，利用热点的场效应变化确定外部环境微参量(温度、折射率等)的变化。两束入射光为不限偏振的的线偏振光，改变入射光的相位差，可以改变不同表面等离激元的强度。在不同相位差下，入射光信号E1和E2可以表示为

E₁＝A₁cos(wt―kz) (1)

E₂＝A₂cos(wt―kz+δ) (2)

其中，A为振幅，k为角波数，δ为为相位差，t为时间；

由此可以看出通过改变入射光的相位差，可以达到对传输波强度的调制。图20-23所示是几个特殊相位差下的表面等离激元强度图像。

当δ＝0时，表面等离激元强度图像如图20所示；

当δ＝π/2时，表面等离激元强度图像如图21所示；

当δ＝π时，表面等离激元强度图像如图22所示；

当δ＝3π/2时，表面等离激元强度图像如图23所示。

实施例中光纤及金属微结构孔仅为示意图，并不限定微结构孔的大小、形状。

因此，本发明一种基于表面波的相干多芯光纤探针，可以根据所需实现环境的任意参量传感，而且不需要严格的空间准直、耦合光路，消除入射光倾斜入射对器件性能的影响，具有低能耗、动态调谐、集成度高、结构微小、系统稳定等特点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于表面波的相干多芯光纤探针，其特征在于：

包括多芯光纤和金属薄膜，所述金属薄膜上设置有金属微结构孔，所述多芯光纤包括光纤包层和分布在所述光纤包层内部的纤芯，所述纤芯设置为至少两根，所述纤芯为单模且折射率相同，所述金属薄膜覆盖在所述纤芯的尖端；

所述纤芯内部通道中的入射光为偏振态正交或相同的信号，所述入射光从所述金属薄膜的表层或从所述金属微结构孔激发出表面等离激元并传输，利用入射光之间的相位差动态调控微参量的敏感度。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面波的相干多芯光纤探针，其特征在于：所述入射光是两束频率、传播速度相同、偏振方向互相正交或相同的线偏振光。

3.根据权利要求2所述的一种基于表面波的相干多芯光纤探针，其特征在于：所述纤芯为双芯、三芯、环形芯中的一种。

4.根据权利要求3所述的一种基于表面波的相干多芯光纤探针，其特征在于：所述金属微结构孔为H形、U形、矩形、梯形、菱形、圆形中的一种，空间分布为满足金属纳米孔阵列激发表面波条件将其设置为周期或非周期结构。

5.根据权利要求4所述的一种基于表面波的相干多芯光纤探针，其特征在于：所述金属薄膜与所述金属微结构孔均选用金、银、铝中的一种，采用电子束蒸镀技术在处理过的纤芯端面制备一定厚度的金属膜，利用聚焦离子束刻蚀技术加工金属表面的微结构。

6.根据权利要求5所述的一种基于表面波的相干多芯光纤探针，其特征在于：所述纤芯的端面为楔形、斜端面、圆锥中的一种。