基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器及灵敏度检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器及灵敏度检测方法，其结构包含纤芯、包覆于纤芯外部的包层，纤芯内设置有周期性排列的大小不同的圆空气孔；纤芯的侧壁开设有开环通道，开环通道的内表面涂有金膜；通过计算得到的损耗谱进而计算出表面等离子体共振峰所处波长及传感器的灵敏度。待测生物液体样本不同的折射率，传输损耗谱共振峰峰所处的波长不同。本传感器的待测液体样本的折射率范围为1.26～1.29，可以得到9000nm/RIU的灵敏度且结构简单，易于操作，在传感领域有很大的应用前景。有很大的应用前景。有很大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器及灵敏度检测方法


[0001]本专利技术属于光学科学
，涉及一种低折射率传感的表面等离子体光子晶体光纤传感器，具体为基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器及灵敏度检测方法。

技术介绍

[0002]传感器是信息感知与交互过程中的必要基础和核心手段，在未来的整个信息技术产业链中都占据着重要地位。除了实现高灵敏、高可靠的信息采集处理外，随着5G、物联网、云计算、人工智能等技术的兴起，传感器还逐渐朝着微型化、集成化、低功耗的智能传感方向发展，并在诸多领域显示出广阔的应用前景。传感器的发展与光学技术的利用密切相关。结合现代光学技术，传感器可获得抗电磁干扰、易实现分布式测量、易于集成、检测精度高等不同的优势，在人们的实际生活中发挥重要作用。
[0003]光子晶体光纤是近年来新兴的一种光纤，也称为微结构光纤。近年来由于光子晶体光纤具有灵活的结构设计，使其具传输损耗小、无截止单模、非线性可调、弯曲损耗小、色散可控、大模场面积等奇特性质。优良的光学特性使其广泛用于光纤通讯、光纤传感、非线性光学和光纤激光器等领域。
[0004]作为一项关键的光学分析技术，除了对折射率变化有较高的灵敏度外，SPR传感器还可以直接、原位地检测表面生化分子的相互作用，快速实现生化物质的检测，同时不需要对样品进行标记和处理，并且在整个检测过程中只需使用少量的分析物样品，这些优点进一步促进了SPR传感器在生化领域中的研究与应用。传统的SPR传感器虽然发展较为成熟，但存在体积庞大、结构复杂、相位匹配难、无法进行远程检测等缺点。与光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)技术的结合可降低SPR传感器倏逝波与SPW的耦合难度，有利于实现传感设备的微型化与集成化，也有利于实现远程探测、分布式探测等不同方式下的传感测量。并且作为生化传感领域的一种新型检测技术，光子晶体光纤SPR传感器展现出一系列独特的优势，因此，如何更好的提高传感器的灵敏度，使其在药剂研制、医学诊断等应用中具有重要的研究价值，是本领域一直渴望解决的技术难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对光子晶体光纤现有技术中存在的不足,提供了一种基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器，与普通的D形结构不同，本专利技术所激发的SPR效应是通过在开环通道上涂覆薄金膜来激发的，这可以增强共振效应使得SPR对待测溶液的变化更加敏感。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供一种基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器的灵敏度检测方法。
[0007]本专利技术的技术方案是:一种基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器，其结构包含纤芯、包覆于纤芯外部的包层，纤芯内设置有周期性排列的大小不同的圆空气孔；
纤芯的侧壁开设有开环通道，开环通道的内表面涂有金膜。
[0008]上述方案中，所述纤芯和包层的材料为折射率n＝1.45的熔融二氧化硅。
[0009]上述方案中，所述包层的半径为r
b
＝13.5um；所述纤芯的半径为r0＝7.5um。
[0010]上述方案中，所述纤芯和包层之间为分析物层，所述分析物层的半径为r
bio
＝12um。
[0011]上述方案中，所述圆空气孔对称分布在纤芯内，所述圆空气孔之间的周期均为Λ＝3um；所述圆空气孔包括内层小圆空气孔、内层大圆空气孔以及外层大圆空气孔。
[0012]上述方案中，所述内层大圆空气孔和内侧小圆空气孔呈六边角形阵列排布，内层小圆空气孔的空气折射率n
air
＝1，孔径大小d1＝1.25um；内层大圆空气孔的空气折射率n
air
＝1，孔径大小d2＝1.4um；所述外层大圆空气孔的空气折射率n
air
＝1，孔径大小d3＝1.75um。
[0013]上述方案中，所述纤芯的圆心到开环通道的高度h＝6um；所述开环通道的半径r
s
＝1um。
[0014]上述方案中，所述开环通道内表面金膜的膜层厚度t＝50nm。
[0015]上述方案中，待测溶液的折射率从1.26以0.01的步长增加到1.29。
[0016]一种基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器的折射率灵敏度检测方法，包括以下步骤：
[0017]待测溶液折射率n
bio
范围为1.26～1.29，当一定的入射波长的光入射后，在纤芯模与在开环通道和溶液之间的界面处产生的SPP模的有效折射率实部(Real Part of the Effective Refractive Index,Re[neff])相等时，满足相位匹配条件，此时基模中的光强会大幅度减弱，转移至金属表面，两种模式之间会发生共振耦合，表现为基模的损耗曲线出现峰值；当待测溶液的折射率发生改变时，SPR的共振波长或强度就会发生变化；利用这一特性，通过检测光信号的变化实现折射率传感。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益成果：本专利技术所述传感器为D型的表面等离子体共振的光子晶体光纤折射率传感器，其结构包含纤芯、包覆于纤芯外部的包层，周期性排列的大小不同的空气孔，涂有金膜的开环通道和待测溶液。本专利技术传输信号安全，高灵敏度，稳定性好，可测范围广。通过利用镀膜金表面等离子体共振效应作为折射率传感机制，设计光子晶体光纤的空气孔层数和孔径，提高低折射率检测灵敏度。本专利技术所述的传感器是具有高灵敏度和低损耗的光子晶体光纤折射率传感器。
[0019]与普通的D形结构不同，本专利技术所激发的SPR效应是通过在开环通道上涂覆薄金膜来激发的，这可以增强共振效应使得SPR对待测溶液的变化更加敏感，通过改变待测物质的属性(如折射率、温度等)，表面等离子体共振效应也会发生改变，因此，人们可以根据共振的波长偏移量评估传感器的灵敏度，根据损耗峰值的大小评估传感器测量结果的可信度并提高所提出传感器的光谱灵敏度。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例的横截面示意图。
[0021]图2为本专利技术实施例的基模的模场分布图。
[0022]图3为本专利技术实施例的SPP模式的模场分布图。
[0023]图4为本专利技术实施例中的相位匹配点处的模场分布图。
[0024]图5为本专利技术实施例中当分析物的折射率由1.26到1.29变化时的损耗图。
[0025]其中：1.开环通道；2.内层小圆空气孔；3.内层大圆空气孔；4.外层大圆空气孔；5.纤芯；6.分析物层；7.包层。
具体实施方式
[0026]参照图1，一种基于表面等离子体的D型光子晶体光纤传感器。光子晶体光纤的横截面包括纤芯和包层。纤芯和包层由折射率n＝1.45的熔融二氧化硅材料构成，包层的半径为r
b
＝13.5um，纤芯的半径为r0＝7.5um，纤芯的中心与开环通道的高度h＝6um。包层内设置有周期性排列的大小不同的圆空气孔；圆空气孔包括4个内层小圆空气孔、2个内层大圆空气孔、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器，其特征在于：其结构包含纤芯、包覆于纤芯外部的包层，纤芯内设置有周期性排列的大小不同的圆空气孔；纤芯的侧壁开设有开环通道，开环通道的内表面涂有金膜。2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器，其特征在于，所述的纤芯和包层的材料为折射率n＝1.45的熔融二氧化硅。3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器，其特征在于，所述包层的半径为r
b
＝13.5um；所述纤芯的半径为r0＝7.5um。4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器，其特征在于，所述纤芯和包层之间为分析物层，所述分析物层的半径为r
bio
＝12um。5.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器，其特征在于，所述圆空气孔对称分布在纤芯内，所述圆空气孔之间的周期均为Λ＝3um；所述圆空气孔包括内层小圆空气孔、内层大圆空气孔以及外层大圆空气孔。6.根据权利要求5所述的一种基于表面等离子体共振的D型光子晶体光纤传感器，其特征在于，所述内层大圆空气孔和内侧小圆空气孔呈六边角形阵列排布，内层小圆空气孔的空气折射率n
air
＝1，孔径大小d1＝1.25um；内层大圆空气孔的空气折射率n
air
＝1，孔径大小d2＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：马季，李润华，孙璐璐，刘思彤，魏曼丽，吴迪，
申请(专利权)人：辽宁石油化工大学，
类型：发明
国别省市：