一种新型D型微结构光纤传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于光传感技术领域，涉及一种新型D型微结构光纤传感器及其制备方法。本发明专利技术基于D型LMR微结构光纤，将以纤芯为圆心构成LMR微结构光纤直径外的D型LMR微结构光纤去除，保留完整的纤芯，半圆形包层及设置于纤芯和包层之间的空气孔，在纤芯及其两侧的空气孔间隔的边界隔离层构成完整光滑的平面上，平面上镀有TiO2薄膜层，TiO2薄膜层上镀有HfO2薄膜层。随着HfO2厚度贡献的百分比增加，灵敏度上升到远高于单个TiO2薄膜获得的值，能够有效的提高传感的稳定性和灵敏度。本发明专利技术解决了现有技术中难以在微结构光纤中均匀镀膜和灵敏度较低的问题，且结构简单、易实现，可在微结构光纤等领域广泛推广。

【技术实现步骤摘要】
一种新型D型微结构光纤传感器及其制备方法
本专利技术属于光传感
，涉及一种新型D型微结构光纤传感器及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着经济社会的发展，食品安全、环境监测、化学分析、生物传感等领域的快速、有效的检测是我们亟待解决的问题。特别是在生命医疗、传统能源勘探、海洋开发等领域，对检测各项指标的要求在不断的提高，因此随着检测要求的不断提高，对传感器的灵敏度、精度、分辨率等都提出了更高要求。光纤传感器具有传统传感器所不可比的优点：灵敏度高、动态范围大、响应速度快、不受电磁干扰、防爆防燃、易于远距离遥测、保密性好、重量轻、机械强度高等。因此光纤传感器在多个领域得到了广泛的应用。然而采用普通光纤作为敏感元件的光纤传感器存在耦合损耗大、保偏特性差和存在交叉敏感问题等若干难以克服的缺点，限制了光纤传感器性能的进一步提高。目前，采用微结构光纤制作传感器是传感器领域研究的一大热点，这类微结构光纤传感器有望解决上述普通光纤传感器存在的问题，并具有多维结构、调谐范围大、模场面积大、可实现多参数测量等一系列优良特性。基于光纤传感的损失模式共振(LossyModeResonance，LMR)效应作为一种近几年新提出的共振效应已被广泛应用于生命科学、医学、物理学、化学等领域。LMR效应表现在光谱上就是反射光强的响应曲线上有若干个衰减谷，这些衰减谷称为共振谷,各自对应的入射光波长为共振波长。当损失模式传播常数的实部和光波导的传播常数相等时，波导模式与损失模式将发生共振，呈现出衰减全反射现象，即反射率出现最小值。利用LMR共振波长对待测物折射率敏感的特性，LMR传感技术普遍应用于基于折射率变化的参数测量中。然而，现有的微结构传感结构由于空气孔太小(一般几微米)，所以无论是镀膜还是填充分析物，都是比较困难的,而其他形状的微结构光纤由于其结构表面不平整或者存在夹角，导致无法均匀镀膜得到好的传感效果。而且，目前的基于传统原理检测的微结构光纤传感已较为成熟，很难在测量灵敏度和精度上有很大突破，所以构建一个结构简单新颖，具有高灵敏度的LMR微结构光纤传感结构具有很重要的意义。
技术实现思路
针对现有技术中微结构传感结构空气孔不易镀膜和填充分析物，其他结构的光子晶体光纤无法均匀镀膜的问题，本专利技术提出了一种新型D型微结构光纤传感器及其制备方法。本专利技术基于D型LMR微结构光纤，将以纤芯为圆心构成LMR微结构光纤直径外的D型LMR微结构光纤去除，保留完整的纤芯，半圆形包层及设置于纤芯和包层之间的空气孔，在纤芯及其两侧的空气孔间隔的边界隔离层构成完整光滑的平面上，平面上镀有TiO2薄膜层，TiO2薄膜层上镀有HfO2薄膜层。随着HfO2厚度贡献的百分比增加，灵敏度上升到远高于单个TiO2薄膜获得的值，能够有效的提高传感的稳定性和灵敏度。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种新型D型微结构光纤传感器，基于D型LMR微结构光纤，所述D型LMR微结构光纤包括完整的纤芯、半圆形包层及设置于纤芯和包层之间的空气孔，所述空气孔的横截面为扇形，空气孔之间设置有边界隔离层，其中两个边界隔离层以纤芯为圆心构成LMR微结构光纤的直径，即纤芯及其两侧的边界隔离层构成的完整光滑的平面，所述平面上镀有TiO2薄膜层，TiO2薄膜层上镀有HfO2薄膜层。进一步地，所述的D型结构LMR微结构光纤包括3个完全相同空气孔。进一步地，所述的相邻空气孔的边界隔离层的厚度为2μm～3μm进一步地，所述的D型LMR微结构光纤直径为125μm～150μm进一步地，所述的D型LMR微结构光纤的纤芯直径为15μm～30μm进一步地，所述的TiO2薄膜层厚度为50nm～100nm。进一步地，所述的HfO2薄膜层的厚度为50nm～100nm。上述新型D型微结构光纤传感器的制备方法，其特征在于，以LMR微结构光纤为原料，且所述LMR微结构光纤包括纤芯、包层及设置于纤芯和包层之间的空气孔，所述空气孔的横截面为扇形，空气孔之间设置有边界隔离层，其中两个边界隔离层以纤芯为圆心构成LMR微结构光纤的直径，将以纤芯为圆心构成LMR微结构光纤直径外的D型LMR微结构光纤去除，保留完整的纤芯，在纤芯及其两侧的边界隔离层构成的完整光滑的平面上，先镀上TiO2薄膜，然后再镀上HfO2薄膜。进一步地，所述的以纤芯为圆心构成LMR微结构光纤直径外的D型LMR微结构光纤去除的方法，采用微机械加工或者飞秒激光器加工完成。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：1、LMR在p偏振光和s偏振光下均可发生共振，并且其灵敏度与精度较传统传感器大幅提高；2、D型LMR微结构光纤相对于传统的微结构光纤，更有利于待测微流体的填充，从而实现实时监测；3、本专利技术除去空气孔的制作工艺相对简单，并且在除去空气孔后的完整光滑平面上镀膜比较容易，所镀的膜也比较均匀；4、本专利技术选择了TiO2作为涂覆层薄膜，涂覆层TiO2的外部接着涂覆一层HfO2化学生物物质敏感膜，TiO2是易于获得且具有成本效益的材料，可在可见光谱范围内产生LMR，使其成为低成本LMR器件的理想选择。薄膜材料的厚度和折射率是确定LMR灵敏度的关键参数。折射率高于内薄膜的任何介质覆盖层都可以提高任何类型LMR传感器的灵敏度，而不管被测量是何种物理量。HfO2是一种突出的金属氧化物，具有高介电常数和独特的电子和光学性质，由于HfO2的折射率高于TiO2，所以在TiO2的外部涂覆HfO2化学生物物质敏感膜能进一步提高传感器的灵敏度；5、TiO2和HfO2薄膜可以通过溅射沉积技术轻松沉积，镀膜过程操作简单。基于上述理由，本专利技术解决了现有技术中难以在微结构光纤中均匀镀膜和灵敏度较低的问题，可在微结构光纤等领域广泛推广。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1中新型D型微结构光纤传感器的截面结构示意图；图2为本专利技术实施例1中新型D型微结构光纤传感器测量折射率为1.33的待测溶液时所对应的有效模式折射率虚部的变化；图3为本专利技术实施例1中新型D型微结构光纤传感器测量折射率为1.34的待测溶液时所对应的有效模式折射率虚部的变化；图4为本专利技术实施例1中新型D型微结构光纤传感器同常见的基于D型光纤LMR的传感器和基于PCFSPR的暴露核心传感器的波长灵敏度对比。图中：1、纤芯，2、包层，3、空气孔，4、TiO2薄膜层；5、HfO2薄膜层，6、边界隔离层。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型D型微结构光纤传感器，其特征在于，基于D型LMR微结构光纤，所述D型LMR微结构光纤包括完整的纤芯、半圆形包层及设置于纤芯和包层之间的空气孔，所述空气孔的横截面为扇形，空气孔之间设置有边界隔离层，其中两个边界隔离层以纤芯为圆心构成LMR微结构光纤的直径，即纤芯及其两侧的边界隔离层构成的完整光滑的平面，所述平面上镀有TiO2薄膜层，TiO2薄膜层上镀有HfO2薄膜层。

【技术特征摘要】
1.一种新型D型微结构光纤传感器，其特征在于，基于D型LMR微结构光纤，所述D型LMR微结构光纤包括完整的纤芯、半圆形包层及设置于纤芯和包层之间的空气孔，所述空气孔的横截面为扇形，空气孔之间设置有边界隔离层，其中两个边界隔离层以纤芯为圆心构成LMR微结构光纤的直径，即纤芯及其两侧的边界隔离层构成的完整光滑的平面，所述平面上镀有TiO2薄膜层，TiO2薄膜层上镀有HfO2薄膜层。2.根据权利要1所述的新型D型微结构光纤传感器，其特征在于，所述的D型结构LMR微结构光纤包括3个完全相同空气孔。3.根据权利要1所述的新型D型微结构光纤传感器，其特征在于，所述的相邻空气孔的边界隔离层的厚度为2μm～3μm。4.根据权利要1所述的新型D型微结构光纤传感器，其特征在于，所述的D型LMR微结构光纤直径为125μm～150μm。5.根据权利要1所述的新型D型微结构光纤传感器，其特征在于，所述的D型LMR微结构光纤的纤芯直径为15μm～30μm。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，王雪州，宋行，王波涛，赵万明，井建迎，汪颖，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21