CN207764126U - 基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器，包括位于光纤端面的金属膜，金属膜上均匀排列满工字型纳米狭缝结构，其中工字型纳米狭缝结构由三条相互连通的矩形狭缝构成。本实用新型的传感器具有两个共振波长，相互修正结果的两个共振波长可以使得测量结果更加精确。并且这两个共振波长的大小可以通过调节传感器的结构参数来调整，从而来适应不同的实用范围。实现了一种检测精度高、适用范围广、易于加工的光纤表面等离子体共振传感器。

Description

基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器。

背景技术

表面等离子共振(SPR)效应是存在于金属与非导电介质界面处的物理现象，对界面附近介质成分的微小变化非常敏感。光在介质与介质表面发生全反射时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在光密介质假设为金属介质中又存在一定的等离子波。两波满足一定的相干条件时，会发生共振。共振后反射光强会大幅度地减弱，能量会从光子转移到表面的等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使反射光的能量急剧减少。

随着研究的不断深入，表面等离子体共振技术将在疾病控制、药物开发、环境监测、食品安全以及国土安全等领域具有广阔的应用前景。光纤SPR传感器具有传输损耗小、能量利用率高、体积小、集成性好等诸多优点，受到了广泛关注，而如何提高光纤SPR传感器是灵敏度和分辨率一直为研究的热点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的是现有光纤SPR传感器只有单一反射谷而导致的性能不佳的问题，提供一种基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器，由金属膜和2个以上的狭缝结构单元组成；所有狭缝结构单元均贯通开设在金属膜上，并在金属膜上呈周期性排布；每个狭缝结构单元均为2条横向狭缝和1条纵向狭缝所构成的工字型结构；2条横向狭缝相互平行；纵向狭缝位于2条横向狭缝之间，且纵向狭缝的两端分别与这2条横向狭缝垂直连通。

上述方案中，纵向狭缝的两端分别连通在2条横向狭缝的中点处。

上述方案中，2条横向狭缝的长度相等。

上述方案中，2条横向狭缝和1条纵向狭缝的宽度相等。

上述方案中，狭缝结构单元在金属膜上呈矩阵周期性排布或环形周期性排布方式。

上述方案中，金属膜由金属材料制成。

上述方案中，金属膜的材料为金。

与现有技术相比，本实用新型的传感器能够通过设置合理的结构参数可以得到两个共振波长的传感器，具体表现为反射谱中具有两个反射谷。这样在检测中，可对比两个反射谷的结果从而提高准确度，且反射谷具有较高的品质因数和较低反射强度，这是提高检测精度的必备条件。此外，本实用新型的传感器可通过设置不同的结构参数来调节反射谷的频谱位置，进而可以根据需要来设计结构参数，大大提高了适用范围。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图。

图2为本实用新型一个周期单元的二维结构示意图。

图3为本实用新型采用不同金膜厚度时反射率的曲线图。

图4为本实用新型采用不同横向狭缝长度时反射率的曲线图。

图5为本实用新型采用不同纵向狭缝长度时反射率的曲线图。

图6为本实用新型采用不同狭缝宽度时反射率的曲线图。

图7为本实用新型采用不同阵列周期时反射率的曲线图。

图8为当待测介质折射率发生变化时本实用新型的反射率曲线图。

图中标号为：1、金属膜，2、上方横向狭缝，3、下方横向狭缝，4、纵向狭缝。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。

基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器。如图1所示。该传感器本体由金属膜1和2个以上的狭缝结构单元组成。狭缝结构单元的数量根据光纤的横截面的尺寸和单个狭缝结构单元的周期大小确定，以狭缝结构单元尽可能地覆盖完光纤的横截面为准。所有狭缝结构单元均贯通开设在金属膜1上，并在金属膜1上呈周期性排布。所述狭缝结构单元在金属膜1上可以呈矩阵、环形或其他周期性排布方式，但在本实施例中，所有狭缝结构单元在金属膜1上呈矩阵式周期排布。

每个狭缝结构单元的形状完全一致，使用时，待测介质填充在狭缝结构单元的狭缝内。每个狭缝结构单元均为2条横向狭缝(上方横向狭缝2和下方横向狭缝3)和1条纵向狭缝4所构成的工字型结构，3条狭缝相互连通且贯通于金属膜1的上下表面。上方横向狭缝2和下方横向狭缝3相互平行且长度相等；纵向狭缝4位于这2条横向狭缝之间，且纵向狭缝4的上端与上方横向狭缝2的中点垂直连接，纵向狭缝4的下端与下方横向狭缝3的中点垂直连接，由此构成对称一个整体对称的工字型。2条横向狭缝和1条纵向狭缝4的宽度相等。在本实施例中，横向狭缝长度介于100nm～400nm之间，纵向狭缝4长度介于150nm～350nm之间，2条横向狭缝和1条纵向狭缝4的宽度介于20nm～60nm之间。每个狭缝结构单元与其周围的金属膜1形成正方形的晶格阵列，在本实施例中，晶格阵列边长的长度介于420nm～500nm之间。参见图2。

所述金属膜1的表面形状和尺寸与光纤的横截面的形状和尺寸完全一致，使用时，金属膜1贴于光纤的端面上。金属膜1由金属材料制成，如金、银、铜等金属材料制成，但为了能够获得更好的传感性能，本实用新型的金属膜1的材料为金。金属膜1的厚度介于200nm～360nm之间。

实际检测应用时，需要将传感器贴合在光纤的端面，位于光纤端面的整个传感器需与待测介质充分接触，金属膜1上的狭缝内完全填充待测介质，待测介质可以为各种气体、液体以及混合溶液等。平面光从光纤内入射到传感器端，入射光照射在狭缝结构单元后会在特定波长处激发表面等离子体共振使得该波长被吸收，从而导致该波长的反射光被极大地衰减。待测介质折射率的变化会导致共振波长发生变化，因此可以根据共振波长的变化来检测折射率的变化。为适应不同的检测范围，可以通过改变传感器的结构参数来调节两个共振波长的大小，各参数可单个改变也可以多个同时改变，具体可改变参数包括：金属膜1厚度H、晶格阵列边长P、横向狭缝长度La、纵向狭缝4长度Lb以及狭缝宽度d。

如图3所示，为本实用新型采用不同金膜厚度H时的反射率变化曲线。图中横坐标为入射波长，纵坐标为反射率。当厚度H取值为120nm时，从透射谱中可以看出只有一个共振波长。而当H依次取值180nm、240nm、300nm、360nm时，第二个共振波长开始出现并且随着厚度H的增加该波长逐渐增大，即发生红移。由图可知，厚度H是激发第二个共振波长的关键因素，而且同时具有调节两个共振波长频谱位置的作用。

如图4所示，为本实用新型采用不同横向狭缝长度La时的反射率变化曲线。当La依次取值100nm、150nm、200nm、250nm、300nm时，第一个共振波长随之规律地红移，而反射率则小幅度减小。与之不同的是，第二个共振波长的变化非常小，包括反射率变化和波长的变化。由此可知，横向狭缝的长度La可以在第二个共振波长几乎不变的情况下有效地调整第一个共振波长的大小。

如图5所示，为本实用新型采用不同纵向狭缝4长度Lb时反射率的变化曲线。当Lb依次取值150nm、200nm、250nm、300nm、350nm时，第一个共振波长较大范围地红移，第二个共振波长较小范围地红移，而且第二个共振波长下的反射率逐渐小幅度递减。由此可知，狭缝长度Lb可以同时有效地调整两个共振波长的大小。

如图6所示，为本实用新型采用不同狭缝宽度d时反射率的变化曲线。当d依次取值20nm、30nm、40nm、50nm、60nm时，两个共振波长均发生不同程度的红移，相应波长下的反射率也随之减小。类似于图5中的变化规律，同样地也可以通过改变狭缝宽度d来有效调整两个共振波长的大小。

如图7所示，为本实用新型采用不同周期长度P时的反射率变化曲线。在本实用新型中，为保证具有较好的反射谱，周期长度P只能在较小的范围内变化。当P依次取值420nm、440nm、460nm、480nm、500nm时，两个共振波长及该波长下的反射率均小幅度变化，对频谱的调节作用极小。

如图8所示，为本实用新型在检测不同折射率的待测介质时反射率的变化曲线。从图中可以很容易地发现，当待测介质折射率分别为1.33、1.35、1.37、1.39、1.41、1.43时，本实用新型检测时的反射谱依次规律性地红移。进一步地，当传感器结构参数一定时，某一确定折射率下的两个共振波长也是确定的，即共振波长与折射率一一对应，因此我们可以通过检测共振波长来相应地确定待测介质的折射率大小。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。

Claims (7)

1.基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器，包括传感器本体，其特征是，所述传感器本体由金属膜(1)和2个以上的狭缝结构单元组成；所有狭缝结构单元均贯通开设在金属膜(1)上，并在金属膜(1)上呈周期性排布；每个狭缝结构单元均为2条横向狭缝和1条纵向狭缝(4)所构成的工字型结构；2条横向狭缝相互平行；纵向狭缝(4)位于2条横向狭缝之间，且纵向狭缝(4)的两端分别与这2条横向狭缝垂直连通。

2.根据权利要求1所述的基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器，纵向狭缝(4)的两端分别连通在2条横向狭缝的中点处。

3.根据权利要求1或2所述的基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器，2条横向狭缝的长度相等。

4.根据权利要求1所述的基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器，其特征是，2条横向狭缝和1条纵向狭缝(4)的宽度相等。

5.根据权利要求1所述的基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器，其特征是，狭缝结构单元在金属膜(1)上呈矩阵周期性排布或环形周期性排布方式。

6.根据权利要求1所述的基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器，其特征是，金属膜(1)由金属材料制成。

7.根据权利要求6所述的基于反射双共振谷光纤表面等离子共振传感器，其特征是，金属膜(1)的材料为金。