基于光子晶體光纖的側(cè)芯spr折射率傳感模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR折射率傳感模型，其橫截面為圓形，纖芯周圍為包層空氣孔，纖芯設置為右側(cè)纖芯和左側(cè)纖芯；左側(cè)纖芯為實心基底材料；右側(cè)纖芯包括金屬柱體檢測孔和涂覆在金屬柱體表面的待測介質(zhì)層。本發(fā)明采用光子晶體光纖的側(cè)芯SPR傳感結(jié)構(gòu)，激發(fā)出的SPP模與纖芯基模在相位匹配條件下實現(xiàn)共振耦合。并且在一定范圍內(nèi)具有很高的線性，靈敏度達到了21514nm/RIU，大大的提高了傳感的效率和精度，對SPR_PCF的傳感擁有巨大的應用價值。
【專利說明】
基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR折射率傳感模型
技術(shù)領域
[0001]本發(fā)明屬于光子晶體光纖傳感領域，尤其是涉及到PCF_SPR傳感技術(shù)，具體涉及一種基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR(表面等離子體共振)折射率傳感模型。
【背景技術(shù)】
[0002]1992年，P.St.J.Russell等人提出利用二維的光子晶體作為光纖包層的光子晶體光纖(photonic crystal fiber, PCF)。再接著J.C.Knight于1996年拉制了世界上第一根折射率導引型PCF。之后1998年，J.C.Knight拉制了首根光子帶隙導引型PCF。光子晶體光纖有時也可以叫做微結(jié)構(gòu)光纖(micro-structured optical fiber，M0F)?，F(xiàn)在光子晶體光纖主要包括兩種:一種是跟傳統(tǒng)光纖類似，被稱為改進版的全反射型；另一種與前一種光纖相反，它包層的等效折射率比纖芯大，被稱作為帶隙光子晶體光纖。帶隙光子晶體光纖又分為兩種，實芯光子帶隙光纖(solid core photonic bandgap fiber,SC-PBGF)和空心光子帶隙光纖(hollow core photonic bandgap fiber,HC-PBGF)。光子晶體光纖對比傳統(tǒng)光纖，有著許多優(yōu)異的性能，如無截止單模特性、高雙折射、極低損耗、可控的色散、高非線性、結(jié)構(gòu)設計靈活可控等。因此受到了極大重視，備受關注。
[0003]表面等離子體共振(surface plasmon resonance , SPR)存在于金屬與介質(zhì)的交界區(qū)域，它是一種物理光學現(xiàn)象。光在介質(zhì)與介質(zhì)表面發(fā)生全反射時，會形成消逝波進入到光疏介質(zhì)中，而在光密介質(zhì)(假設為金屬介質(zhì))中又存在一定的等離子波。兩波滿足一定的相干條件時，會發(fā)生共振。共振后反射光強會大幅度地減弱，能量會從光子轉(zhuǎn)移到表面的等離子，入射光的大部分能量被表面等離子波吸收，使反射光的能量急劇減少。如果在光子晶體光纖中考慮到這兩種波的共振，入射光能量會被吸收而產(chǎn)生損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)分析，提供一種基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR傳感模型，該模型采用在光子晶體纖芯旁側(cè)引入圓形檢測孔結(jié)構(gòu)，很容易達到相位匹配，實現(xiàn)共振耦合。利用共振波長對金屬表面介質(zhì)折射率變化非常敏感這一特性，實現(xiàn)對介質(zhì)折射率的檢測，在一定范圍內(nèi)具有高線性和靈敏度，提高傳感的效率和精度。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR折射率傳感模型，其橫截面為圓形，包括基底、纖芯和包層空氣孔，纖芯周圍為包層空氣孔，所述纖芯設置為右側(cè)纖芯和左側(cè)纖芯;所述左側(cè)纖芯為實心基底材料;所述右側(cè)纖芯包括金屬柱體檢測孔和涂覆在金屬柱體表面的待測介質(zhì)層。
[0006]進一步，所述基底和左側(cè)纖芯的材料均為二氧化硅，其折射率為1.43-1.45。
[0007]進一步，所述包層空氣孔以正三角形周期排列，包層空氣孔中心間距為2-3um，包層空氣孔直徑為1-1.5um。
[0008]進一步，所述金屬柱體檢測孔融入金屬，形成了金屬柱體，柱體橫截圓面的半徑為
0.3-0.6um。
[0009]進一步，所述待測介質(zhì)層厚度為0.2-0.6um。
[0010]本發(fā)明采用光子晶體光纖的側(cè)芯SPR傳感結(jié)構(gòu)，激發(fā)出的SPP模與纖芯基模在相位匹配條件下實現(xiàn)共振耦合。在一定范圍內(nèi)具有很高的線性，靈敏度達到了21514nm/RIU。檢測孔為圓形狀并且是用待測介質(zhì)涂覆在金屬柱體上，容易達到相位匹配，實現(xiàn)共振耦合，直接確定共振波長點，大大的提高了傳感的效率和精度。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)對SPR_PCF的傳感擁有巨大的應用價值。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR傳感模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR傳感模型傳感特性曲線；
圖3是待測介質(zhì)層折射率從1.37至1.44時y偏振SPP模的損耗曲線圖；
圖中:1.基底，2.包層空氣孔，3.右側(cè)纖芯，4.金屬柱體檢測孔，5.待測介質(zhì)層，6.左側(cè)纖芯。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。參見圖1至圖3，一種基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR傳感模型，其橫截面為圓形，包括基底1、纖芯和包層空氣孔2，纖芯周圍為包層空氣孔2，其特征在于，所述的纖芯設置為右側(cè)纖芯3和左側(cè)纖芯6;所述的右側(cè)纖芯3包括金屬柱體檢測孔4、待測介質(zhì)5;所述的左側(cè)纖芯6為實心基底材料。所述基底I和左側(cè)纖芯6的材料為二氧化硅，其折射率為1.45。所述包層空氣孔2以正三角形周期排列，晶格常數(shù)(相鄰兩個空氣孔中心間距L)為2um，包層空氣孔2直徑Φ為lum。所述右側(cè)纖芯3為圓形，金屬柱體檢測孔4半徑r為0.48um，金屬柱體檢測孔3表面涂覆待測介質(zhì)。所述待測介質(zhì)5厚度δ為0.32umo
[0013]本發(fā)明采用光子晶體光纖的側(cè)芯SPR傳感模型，利用右側(cè)纖芯3中的SPP模式與左側(cè)纖芯6基模耦合，在相位匹配條件下達到共振耦合，局域在左側(cè)纖芯6的光被右側(cè)纖芯4中的金屬柱體4大量吸收，傳輸損耗達到峰值。利用共振波長對金屬表面介質(zhì)折射率變化非常敏感這一特性實現(xiàn)對介質(zhì)折射率的檢測。傳感特性曲線如圖2所示，在待測介質(zhì)5折射率為1.40-1.44范圍內(nèi)，具有超高線性特性，靈敏度達到25852nm/RIU。
[0014]金屬柱體檢測孔4為圓形，并且是金屬柱體實芯，表面涂覆薄的待測介質(zhì)5，激發(fā)的金屬柱體檢測孔4的SPP模更強烈，容易達到相位匹配的條件，實現(xiàn)纖芯6基模與金屬柱體檢測孔4的SPP模共振耦合，確定共振波長。如圖3分別表示了待測介質(zhì)折射率從1.37至1.44時金屬柱體檢測孔4的SPP模的損耗曲線圖和待測介質(zhì)5折射率為1.37時的纖芯6基模和金屬柱體檢測孔4的SPP模的抗交叉曲線(色散曲線和損耗曲線)，當金屬柱體檢測孔4的SPP模式與纖芯6基模色散相同時為相位匹配點。結(jié)合圖3可得出選定的金屬柱體檢測孔4的SPP模很容易達到損耗最大點，即共振耦合處，此時入射光波長就是要找的共振波長。
[0015]本發(fā)明的一種基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR傳感模型，采用金屬(一般為金或銀)作為激發(fā)表面等離子體金屬，靈敏度可達到25852nm/RIU，在1.45-1.50折射率范圍內(nèi)具有超高線性特性。
[0016]本發(fā)明所提出的傳感結(jié)構(gòu)就是屬于表面等離子體共振與光子晶體光纖結(jié)合傳感這一類。光子晶體光纖內(nèi)布滿了空氣孔，空氣孔可以比較容易融入金屬，形成金屬柱體，在金屬柱體表面涂覆待測介質(zhì)。光纖內(nèi)通光，達到相位匹配條件下，入射光波與表面等離子體波發(fā)生共振耦合。通過理論分析得到，改變金屬表面待測介質(zhì)的折射率對這兩種波共振時的入射光波長非常敏感。利用這一特性，待測介質(zhì)的折射率發(fā)生了變化或者周圍環(huán)境影響了待測介質(zhì)的折射率，兩波的共振波長會發(fā)生明顯的平移，光纖中的傳輸光損耗大小會發(fā)生改變，因此通過分析光子晶體光纖中傳輸光損耗大小就可以達到傳感的目的。
【主權(quán)項】
1.基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR折射率傳感模型，其橫截面為圓形，包括基底、纖芯和包層空氣孔，纖芯周圍為包層空氣孔，其特征在于，所述纖芯設置為右側(cè)纖芯和左側(cè)纖芯；所述左側(cè)纖芯為實心基底材料;所述右側(cè)纖芯包括金屬柱體檢測孔和涂覆在金屬柱體表面的待測介質(zhì)層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR折射率傳感模型，其特征在于，所述基底和左側(cè)纖芯的材料均為二氧化硅，其折射率為1.43-1.45。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR折射率傳感模型，其特征在于，所述包層空氣孔以正三角形周期排列，包層空氣孔中心間距為2-3um，包層空氣孔直徑為1-1.5umο4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR折射率傳感模型，其特征在于，所述金屬柱體檢測孔融入金屬，形成了金屬柱體，柱體橫截圓面的半徑為0.3-0.6um。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體光纖的側(cè)芯SPR折射率傳感模型，其特征在于，所述待測介質(zhì)層厚度為0.2-0.6um。
【文檔編號】G02B6/02GK105891944SQ201610434343
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月19日
【發(fā)明人】劉彬, 李軍, 劉云鳳
【申請人】南昌航空大學