一种基于表面等离子体共振的双D型结构光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤、空气孔和纳米金膜，二氧化硅内部边缘排布有空气孔，两根光子晶体光纤平行对称分布，光子晶体光纤均采用侧抛成D型状，侧抛表面涂覆纳米金膜，其中侧抛面中间处空气孔为半圆，空气孔及其邻域构成光子晶体光纤纤芯，即空气孔围成的区域构成光子晶体光纤纤芯。该传感器利用两根平行的D型光纤实现耦合，可以有效提高传感器的灵敏度，是一种实用的折射率传感器。
【技术实现步骤摘要】
一种近红外波段双D型光子晶体光纤SPR传感器(一)
本专利技术涉及一种近红外波段双D型光子晶体光纤表面等离子体共振传感器(二)
技术介绍
近年来，光子晶体光纤表面等离子体共振(PCF-SPR)传感器凭借其优异的传感性能在生命科学、药物筛选、分子识别以及免疫测定等领域表现出来巨大的应用潜力，因而受到科研工作者的广泛关注。光子晶体光纤(PhotonicCrystalFibers,PCFs)又叫微结构光纤，它的概念最早是在1992年由STJ.Rusell等人提出的，它是在石英光纤上规则地排列空气孔并在光纤的纤芯引入破坏包层周期性的缺陷结构，这个缺陷可以是大的空气孔或实心的石英。第一个PCF样品于1996年在英国Bath大学被Russell等人研制出。表面等离子体(SurfacePlasmons，SPs)是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子倏逝波。1902年，Wood在观察金属衍射光栅时发现，在正常的衍射角分布谱中发现了新的衍射峰，SPR现象首次被发现。1909年，A.Sommerfeld从Maxwell电磁理论出发，引入复介电常数的概念，推导了表面等离子体波的表达式。1941年，Fano等人根据金属一空气界面产生了电磁波从而解释了SPR现象。1957年，Ritchie利用较高能量的电子轰击金属薄片，在这个实验过程中发现能量在等离子体频率处有能量的损失，并且他认为能量损失与金属界面有关。1960年，E.A.Stren在研究SPR现象出现条件时，首次提出了表面等离子体的概念。1982年，C.Nylander等人首次在化学领域利用SPR进行气体检测。从此，SPR传感器成为了研究的热点。为了能利用SPR进行测量，需要使用一些特殊的器件来实现SPR。光子晶体光纤传感器因其自身独特的优势而具有远程实时检测，体积小，易于集成化，灵敏度高，设计灵活等特点，吸引着优秀的科研人员投入了很多精力和资源对其进行研究。将光子晶体光纤的微结构设计与表面等离子体共振的高灵敏度技术相结合，具有实时监测、无需标记、干扰小的优点。光子晶体光纤替代普通光纤用作传感器可以解决相位匹配问题。光子晶体光纤传感器不需要额外的耦合装置，能够通过空气孔的排列设计有效的解决相位匹配的问题，实现纤芯模式与表面等离子模式的模式耦合，将待测物质折射率的变化转化成吸收峰的偏移变化，实现传感测量。为了提高传感灵敏度，一种策略是通过优化结构来提高核心导模和等离子体模之间的耦合效率。耦合效应包括相邻多电浆子传感器之间的相互作用，该效应已应用于双平行光纤。然而，在双平行D形PCF-SPR传感器的研制方面却鲜有进展。在以往对PCF-SPR的研究中，大多只研究纤芯导模与表面等离子体模之间的耦合，很少涉及这两种模式以外的模式耦合，如渗透到待测溶液中的模式与表面等离子体模之间的耦合问题，多芯光纤中各个纤芯之间的导模耦合(模间干扰)问题等等。这些问题对于共振强度的大小，共振波长的变化以及光谱次峰的产生等都有着或多或少的影响。研究清楚这些模式耦合问题，有助于进一步优化传感器性能。(三)
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于表面等离子体共振的双对称D型结构光子晶体光纤传感器，利用纤芯导模与表面等离子体模之间的耦合和两个纤芯之间的导模耦合，结合两种模式的模式耦合实现高灵敏度的传感检测。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于表面等离子体共振的双对称D型结构光子晶体光纤传感器，包括6、光子晶体光纤，1、空气孔和2、纳米金膜，光子晶体光纤内部边缘排布有空气孔，两根光子晶体光纤关于光子晶体光纤的几何中心对称，光子晶体光纤采用侧抛成D型状，侧抛表面涂覆纳米金膜，其中侧抛面中间处空气孔为半圆，空气孔及其邻域构成光子晶体光纤纤芯，即空气孔围成的区域构成光子晶体光纤纤芯。上述光子晶体光纤传感器，所述空气孔均匀环绕在基底内部的边缘。上述光子晶体光纤传感器，空气孔的直径为9um，相邻空气孔相位依次相差30°，其中侧抛中间处空气孔为半圆。上述光子晶体光纤传感器，两根纤维之间的距离为900nm。上述光子晶体光纤传感器，上D型光纤和下D型光纤半径均为67.5um，侧抛深度均为10um。上述光子晶体光纤传感器，所述纳米金膜的厚度为40nm。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、环绕排列空气孔的设计，将光限制在纤芯中传输，能够显著降低光的传输损耗，提高传感器的灵敏度；空气孔尺寸较小，能够降低纤芯的有效折射率，便于表面等离子模式与纤芯模式耦合。2、选择镀金纳米薄膜，金的化学性质稳定，不易发生氧化。3、纤芯导模与表面等离子体模之间的耦合和两个纤芯之间的导模耦合，两种模式的模式的叠加耦合能实现更高灵敏度和提高稳定性的传感检测(四)附图说明图1为本专利技术的三维结构图图2为本专利技术的结构截面图图3为本专利技术在折射率区间(n＝1.36～1.41)的限制性损耗谱图4为本专利技术改变空气孔直径时的限制性损耗谱图5为本专利技术改变纳米金膜厚度时的限制性损耗谱图6为本专利技术改变二根光纤间距时的限制性损耗谱图7为本专利技术的折射率振幅灵敏度图图中标号为：1、空气孔；2、纳米金膜；3、纤芯1；4、纤芯2；5、分析物传感区；6、光子晶体光纤(五)具体实施方式为了使本专利技术目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和实例作进一步的解释说明。如图1、图2所示，包括光子晶体光纤，空气孔，纳米金膜，完美匹配层，待测液体。采用性能稳定的二氧化硅作为基底材料，折射率约为1.4525，围绕基底边缘布设空气孔，空气孔呈圆环形排列，目的是降低二氧化硅边缘部分的平均折射率，直径为9um，相邻空气孔相位依次相差30°，其中侧抛中间处空气孔为半圆。两个D型光纤半径R均为67.5um，侧抛深度为9um。两根光纤之间的距离为900nm。上D型光纤和下D型光纤平面侧均镀设40nm纳米金膜。利用完美匹配层(PerfectlyMatchedLayer,PML)作为边界条件被添加到仿真计算区域的最外层，用来吸收辐射能量。计算灵敏度的公式为：其中Δλ为共振吸收峰波长改变量，Δn为外界待测介质折射率的改变量。图3为本专利技术在折射率区间(n＝1.36～1.41)的限制性损耗谱，当折射率依次递增0.01至1.36、1.36、1.37、1.38、1.39、1.40、1.41时，共振波长随着折射率的增加逐渐增大，并且波长变化幅度逐渐增大。损耗峰的峰值偏移量分别为60nm、20nm、80nm、140nm、460nm.灵敏度分别为6000RIU-1、2000RIU-1、8000RIU-1、14000RIU-1以及46000RIU-1，在折射率区间(n＝1.36～1.41)平均灵敏度为15200RIU-1。图4是不同空气孔直径对应的限制性损耗谱。空气孔的引入会影响光子晶体光纤的平均折射率，所以空气本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于表面等离子体共振的双D型光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤包层和纤芯，其特征在于：二氧化硅内部边缘排布有空气孔，两根光子晶体光纤关于光子晶体光纤的几何中心对称，光子晶体光纤均采用侧抛成D型状，侧抛表面涂覆金薄膜，其中侧抛面中间处空气孔为半圆，空气孔及其邻域构成光子晶体光纤纤芯，即空气孔围成的区域构成光子晶体光纤纤芯。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离子体共振的双D型光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤包层和纤芯，其特征在于：二氧化硅内部边缘排布有空气孔，两根光子晶体光纤关于光子晶体光纤的几何中心对称，光子晶体光纤均采用侧抛成D型状，侧抛表面涂覆金薄膜，其中侧抛面中间处空气孔为半圆，空气孔及其邻域构成光子晶体光纤纤芯，即空气孔围成的区域构成光子晶体光纤纤芯。
2.根据权利要求1所述的双D型光子晶体光纤传感器，其特征在于：所述两根光纤关于光子晶体光纤的几何中心对称。
3.根据权利要求1所述的双D型光子晶体光纤传感器，其特征在于：
所述纳米金膜的厚度为40nm。
4.根据权利要求1所述的双D型光子晶体光纤传感器，其特征在于：
空气孔的直径为...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏艳，黄善文，刘梦银，陈昱澎，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45
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