一种微结构光纤制造技术

本实用新型专利技术公开了一种微结构光纤，主要包括纤芯、背景材料、包层空气孔以及纳米金膜，在纤芯上附有背景材料，所述光纤为球冠状结构，该球冠状微结构光纤是由内外两层空气孔均匀排列成正六边形晶格结构的圆柱形光纤侧面抛磨得到的，其中外层空气孔中有两个孔处于球冠状光纤的平面段并形成两条半圆槽体开口，半圆槽体开口形成流体通道；在两个半圆槽体开口之间的球冠状光纤平面段上沉积纳米金膜；所述半圆槽体开口与内层空气孔及金膜将纤芯区域包围。本实用新型专利技术具有结构简单、传感灵敏度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种微结构光纤
本技术涉及光纤生物传感领域，尤其是一种侧面抛光有两个微开口其间沉积金膜的微结构光纤。
技术介绍
随着微结构光纤拉制技术的日益完善和不断发展，微结构光纤因其灵活多变的结构设计和独特新颖的传输特性在光学领域得到广泛应用，尤其是基于微结构光纤的传感技术逐渐成为新型传感领域的研究热点。其中借助于表面等离子体共振效应的微结构光纤传感技术更是得到人们的青睐。基于表面等离子体共振的微结构光纤传感器是利用真空蒸镀、化学沉积等方法在微结构光纤上进行选择性地沉积涂覆或者填充一些金属材料，由于可以通过改变光纤的结构设计以及金属填涂部分的物理参数来改变表面等离子体共振发生时的相位匹配波长及共振峰强度等光纤属性，因此可以在传统微结构光纤的结构上再通过选择性地进行局部的金属填涂来设计出性能优良的光纤传感器件。其中光纤的结构设计(比如包层中空气孔的大小、形状、个数、位置和排列方式，以及金属涂覆的位置、涂层厚度以及金属类型等)可以很轻松地影响到金属填充类光纤传感器的性能。2006年，A.Hassani等人首次提出了基于表面等离子体共振的微结构光纤传感器，其光纤结构是由两层的空气孔排列而成的正六边形晶格。最内层以空气孔作为纤芯，最外层以内壁涂覆金膜的空气孔作为待测分析物的通道。在实际操作中要利用高压微流化学沉积等方法在微结构光纤的空气孔内壁镀上一层均匀且厚度适中的金膜是相当困难的；其次需要把不同折射率的分析物液体依次地填充进微结构光纤的空气孔里，这使得检测效率大幅度地降低。2011年，Y.Peng等人提出了一种将金膜涂覆在光纤包层外侧的微结构光纤传感器，他们直接将待测的分析物液体和外表面镀金的光纤接触并进行传感特性的检测，该传感器的灵敏度为1700nm/RIU。这样就解决了在光纤空气孔内壁涂覆金膜和填充分析物的难题，因此在光纤传感器的制作的工艺和检测的效率方面得到了很明显的提升。但是该光纤传感器的灵敏度不是很高。2012年，M.Tian等人提出了一种基于表面等离子体共振的D型微结构光纤传感器，该传感器是通过对完整光纤的侧面进行抛磨，然后在抛磨后的外表面上涂覆一层金属薄膜，将待测的分析物直接与金属薄膜接触，测得该传感器的灵敏度高达7300nm/RIU.像这样在抛光后的平面上涂覆一层金膜操作起来非常方便，而且沉积金膜的厚度均匀可控还节省成本。但是其设计的微结构光纤空气孔相对较多，结构也相对复杂，在实际拉制工作中实现起来相对困难。同时该光纤传感器的灵敏度不是很高。
技术实现思路
本技术目的在于提供一种工艺简单、传感灵敏性强、拉制参数容易控制的微结构光纤。为实现上述目的，采用了以下技术方案：本技术主要包括纤芯、背景材料、包层空气孔以及纳米金膜，在纤芯上附有背景材料，所述光纤为球冠状结构，该球冠状微结构光纤是由内外两层空气孔均匀排列成正六边形晶格结构的圆柱形光纤侧面抛磨得到的，其中外层空气孔中有两个孔处于球冠状光纤的平面段并形成两条半圆槽体开口，半圆槽体开口形成流体通道；在两个半圆槽体开口之间的球冠状光纤平面段上沉积纳米金膜；所述半圆槽体开口与内层空气孔及金膜将纤芯区域包围。进一步的，所述每个空气孔的半径r1＝1μm，且相邻两个空气孔的间距Λ＝3μm。进一步的，所述光纤的背景材料为石英玻璃。进一步的，所述半圆槽体开口的切口深度为h＝1μm。进一步的，所述纳米金膜的厚度在25nm～45nm之间。与现有技术相比，本技术具有如下优点：1、基于表面等离子体共振效应，具有高灵敏度传感特性的微结构光纤，可在近红外波段实现良好的传感特性，适用于基于光纤的生物传感使用及系统集成应用。2、工艺制作更加简单，拉制参数更容易控制。3、在抛光面上镀金相比于在光纤空气孔内镀金，操作更为简单且金膜覆盖厚度的均匀性更加可控。4、将待测分析物接触微结构光纤外表面就可以直接进行传感性能的检测，检测手段更为高效准确，传感器的适用范围更加宽泛。5、具有传感的高灵敏特性，在近红外波段灵敏度最高可达12575nm/RIU。通过适当的选择抛光平面上涂覆金膜的厚度，可在折射率1.32-1.37的变化范围内，实现近红外波段的高灵敏度的传感特性。附图说明图1是本技术实施例1的光纤三维立体图。图2(a)是本技术实施例1的正六边形微结构光纤原始图。图2(b)是本技术实施例1的横截面图。图3是本技术实施例1的模场分布图。图4是本技术实施例1的限制损耗随波长变化关系图。图5是本技术实施例1的共振波长随分析物折射率变化关系图。图6是本技术实施例2的限制损耗随波长变化关系图。图7是本技术实施例2的共振波长随分析物折射率变化关系图。附图标号：1-纤芯、2-背景材料、3-空气孔、4-半圆槽体开口、5-纳米金膜、6-完美匹配层、7-分析物。具体实施方式下面结合附图对本技术做进一步说明：在图1所示，本技术主要包括纤芯1、背景材料2、包层空气孔3以及纳米金膜5，在纤芯上附有背景材料，所述光纤为球冠状结构，该球冠状微结构光纤是由内外两层空气孔均匀排列成正六边形晶格结构的圆柱形光纤侧面抛磨得到的，其中外层空气孔中有两个孔处于球冠状光纤的平面段并形成两条半圆槽体开口4，半圆槽体开口形成流体通道；在两个半圆槽体开口之间的球冠状光纤平面段上沉积纳米金膜；所述半圆槽体开口与内层空气孔及金膜将纤芯区域包围。如图2所示的正六边形微结构光纤原始图2(a)及微结构光纤的横截面图2(b)中,可以明显的看出图2(a)和(b)之间的转化关系，图2(b)的结构设计来源于图2(a)。正如图2(a)所示，微结构光纤是由两层空气孔均匀分布的六角形阵列组成的，空气孔半径r1＝1μm，两孔间距Λ＝3μm，其背景材质为石英玻璃。为了得到一种侧面抛光有两个微开口其间沉积金膜的微结构光纤(即图2(b))，只需要在光纤拉制时将图2(a)的正六边形微结构光纤示意图中的中心空气孔及上面紧挨的一个空气孔由基底材料代替(具体地，在利用堆砌法进行光纤拉制时，在堆砌预制棒时要把两个空气孔和位置处的空芯玻璃管撤掉并换为实芯玻璃棒)，并在此基础上抛磨掉侧边的虚线部分从而得到具有两个微开口和的抛光平面，其中两个半圆槽体开口的切口深度为h＝1μm，并在这两个半圆槽体开口之间的平面上涂覆金膜，金膜厚度在40nm，微结构光纤外表面接触的待测分析物的折射率为1.34。图2(b)中的7为待测分析物，传感器在工作时需要整个浸入分析物中使用。图2(b)中的3为空气孔。图2(b)中的6为完美匹配层，为利用有限元法进行性能仿真时所加的计算边界。在图3所示为本技术实施例1在1500nm处的模场分布图中，箭头表示不同模式下的电场方向。可以从图3(a)中看出，x偏振方向的纤芯传导模式下的模场能量被完全局限在包层内的纤芯中。而在图3(b)中，y偏振方向的纤芯传导模式下的模场能量除限制在纤芯中，还有部分能量被耦合到金膜表面。这就导致y偏振模式下芯模的损耗要远高于x偏振模式下的损耗，更有利于传感器的设计和应用。因此在这里只对y偏振方向的纤芯传导模式下的传输损耗进行研究探讨。在图3(c)中，明显地看到y偏振方向的SPP传导模式下的模场能量被完全地耦合到金膜表面，这说明表面等离子体共振被完全激发了。在图4所示的本技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微结构光纤，主要包括纤芯、背景材料、包层空气孔以及纳米金膜，在纤芯上附有背景材料，其特征在于：所述光纤为球冠状结构，该球冠状微结构光纤是由内外两层空气孔均匀排列成正六边形晶格结构的圆柱形光纤侧面抛磨得到的，其中外层空气孔中有两个孔处于球冠状光纤的平面段并形成两条半圆槽体开口，半圆槽体开口形成流体通道；在两个半圆槽体开口之间的球冠状光纤平面段上沉积纳米金膜；所述半圆槽体开口与内层空气孔及金膜将纤芯区域包围。

【技术特征摘要】
1.一种微结构光纤，主要包括纤芯、背景材料、包层空气孔以及纳米金膜，在纤芯上附有背景材料，其特征在于：所述光纤为球冠状结构，该球冠状微结构光纤是由内外两层空气孔均匀排列成正六边形晶格结构的圆柱形光纤侧面抛磨得到的，其中外层空气孔中有两个孔处于球冠状光纤的平面段并形成两条半圆槽体开口，半圆槽体开口形成流体通道；在两个半圆槽体开口之间的球冠状光纤平面段上沉积纳米金膜；所述半圆槽体开口与内层空气孔及金膜将...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建设，张树桓，李曙光，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：新型
国别省市：河北,13