專利名稱：一種新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖spr傳感模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖SPR傳感技術(shù)，特別是一種新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR傳感模型。
背景技術(shù)：
存在于金屬或半導(dǎo)體表面的自由電子的行為類似于自由電子氣，當(dāng)這些表面自由電子與特定的電磁波相互作用時(shí)，將吸收電磁波的能量，從而產(chǎn)生表面等離子體共振 (Surface Plasmon Resonance, SPR)。SPR(表面等離子體共振)傳感器正是基于上述的表面等離子體共振基本原理實(shí)現(xiàn)高靈敏度的探測(cè)。光纖SPR傳感器是將高靈敏度的表面等離子體傳感技術(shù)與低能量消耗的光纖傳輸技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。然而，采用普通光纖作為敏感元件的光纖SPR傳感器存在耦合損耗大、保偏性差和存在交叉敏感等若干難以克服的缺點(diǎn)，因此限制了傳感器性能的進(jìn)一步提高。隨著光子晶體光纖這個(gè)概念的提出，光纖SPR傳感領(lǐng)域有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。光子晶體光纖也稱為微結(jié)構(gòu)光纖或者多孔光纖，按照其導(dǎo)波機(jī)制可分為全內(nèi)反射型光子晶體光纖和光子禁帶型光子晶體光纖。由于光子晶體光纖的空氣孔的排列和大小有很大的控制余地，因此它與傳統(tǒng)光纖相比有許多“奇異”特性，如無休止的單模傳輸特性、極低損耗、可控的色散、非線性特性、高雙折射特性，因此受到極大重視，并且隨著光子晶體光纖拉制工藝的不斷成熟，光子晶體光纖已廣泛應(yīng)用于光纖SPR傳感領(lǐng)域?，F(xiàn)有的光子晶體光纖SPR傳感器在光譜儀的分辨率能夠達(dá)到O. Olnm時(shí)，傳感器的分辨率一般可以達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)，可見，傳感器的靈敏度不是很高。因此，為了提高傳感器的靈敏度，尋求一種新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR傳感模型具有很重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述存在的問題，提供一種新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR傳感模型， 利用該模型所制成的光子晶體光纖SPR傳感器可大大提高靈敏度和分辨率。本發(fā)明的技術(shù)方案—種新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR傳感模型，采用纖芯包層結(jié)構(gòu)，材料為聚乙烯， 纖芯為實(shí)芯，包層中設(shè)有三層呈正六邊形排列的橢圓形空氣孔，其中第二層空氣孔內(nèi)表面鍍有金膜。所述聚乙烯材料其折射率為I. 5。所述橢圓形空氣孔的長(zhǎng)軸da為I. O μ m，短軸db為O. 8 μ m，相鄰空氣孔中心距Λ 為 2. O μ m。所述金膜的厚度為50nm。本發(fā)明的工作機(jī)理在所設(shè)計(jì)的光子晶體光纖SPR傳感模型的所有空氣孔中裝入待測(cè)樣品，由于金膜表面產(chǎn)生的等離子體共振對(duì)周圍的介質(zhì)環(huán)境十分敏感，當(dāng)待測(cè)樣品的折射率發(fā)生變化時(shí)，損耗吸收峰的位置也會(huì)發(fā)生變化，因此可以將金膜表面臨近物質(zhì)的折射率的微小變化轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的吸收峰的位移，從而達(dá)到傳感的目的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該光子晶體光纖SPR傳感模型結(jié)構(gòu)新穎，僅在一層空氣孔內(nèi)表面鍍膜，仿真時(shí)大大降低了軟件的計(jì)算量，節(jié)省了仿真時(shí)間；利用該模型所制成的光子晶體光纖SPR傳感器可提高靈敏度，其靈敏度為500nm/RIU，使用分辨率O. Olnm的高精度光譜儀，可以測(cè)得傳感器的分辨率為2X 10_5RIU。


圖I為該光子晶體光纖SPR傳感模型剖視結(jié)構(gòu)不意圖。圖中1.包層2.橢圓形空氣孔3.金膜圖2為該模型在折射率η = I. 33的待測(cè)樣品填充空氣孔時(shí)光纖的損耗譜。圖3為不同折射率待測(cè)樣品填充空氣孔時(shí)光纖的損耗譜。
具體實(shí)施例方式以下將通過實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明所提供的一種新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR 傳感模型。但本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以做出形式上和細(xì)節(jié)上的多種變型。因此本發(fā)明絕不僅限于以下所述的實(shí)施例。實(shí)施例一種新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR傳感模型，如圖I所示，采用纖芯包層結(jié)構(gòu)，材料是折射率為I. 5的聚乙烯，纖芯為實(shí)芯，包層I中設(shè)有三層呈正六邊形排列的橢圓形空氣孔2,該橢圓形空氣孔長(zhǎng)軸da = I. O μ m,短軸db = O. 8 μ m,相鄰空氣孔中心距A = 2. O μ m。 在包層中第二層空氣孔內(nèi)表面鍍有金膜3，金膜的厚度為50nm。在該模型的所有空氣孔中裝入待測(cè)樣品，本實(shí)施例中待測(cè)樣品為水，其折射率η = I. 33。采用波長(zhǎng)調(diào)制法，波長(zhǎng)的變化范圍為500nm-1500nm，利用基于全矢量有限元法 (FEM)的COMSOL Multiphysics計(jì)算軟件對(duì)上述所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值仿真,在各向異性完美匹配層(PML)邊界條件的配合下，求解模場(chǎng)的有效折射率，然后根據(jù)模場(chǎng)損耗公式計(jì)算出模場(chǎng)損耗，利用Origin軟件繪出光纖的損耗譜，如圖2所示，可以看出光纖損耗譜具有三處損耗吸收峰，損耗吸收峰所在的位置，就表示該波長(zhǎng)下發(fā)生了表面等離子體共振現(xiàn)象。在這三處損耗吸收峰中，位于700nm-1000nm波段的吸收峰最為強(qiáng)烈，而在第一處以及第三處的吸收峰不是很明顯。因此我們選擇700nm-1000nm這個(gè)波段范圍內(nèi)的波長(zhǎng)進(jìn)行以下的仿真，計(jì)算出該模型的靈敏度以及分辨率。仍然采用波長(zhǎng)調(diào)制法，波長(zhǎng)的變化范圍為700nm-1000nm，利用基于全矢量有限元法(FEM)的COMSOL Multiphysics計(jì)算軟件對(duì)上述所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e按照待測(cè)樣品折射率n = I. 33、n = I. 34進(jìn)行數(shù)值仿真，在各向異性完美匹配層(PML)邊界條件的配合下， 求解模場(chǎng)的有效折射率，然后根據(jù)模場(chǎng)損耗公式計(jì)算出模場(chǎng)損耗，利用Origin軟件繪出η =I. 33、η = 1.34時(shí)光纖的損耗譜，如圖3所示，可以看出隨著待測(cè)樣品折射率的增加，吸收峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。通過測(cè)量當(dāng)折射率改變時(shí)吸收峰的偏移量△ λρ，可以計(jì)算出傳感器的靈敏度Sa，Sa (RIU—1) = Λλρ/Λιν在本實(shí)施例中，當(dāng)待測(cè)樣品折射率由η =
I.33 變?yōu)?η = I. 34 時(shí)(Δ na = O. 01),吸收峰的位置由人 p = 860nm變?yōu)?λ p = 865nm( Δ λ ρ=5nm)，因此該傳感器的靈敏度Sa = 500nm/RIU。使用分辨率O. Olnm的高精度光譜儀，測(cè)得傳感器的分辨率為2 X IO-5RIU0可以看出用該模型制成的光子晶體光纖SPR傳感器較現(xiàn)有的一般傳感器分辨率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
權(quán)利要求
1.一種新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR傳感模型，其特征在于采用纖芯包層結(jié)構(gòu)，材料為聚乙烯，纖芯為實(shí)芯，包層中設(shè)有三層呈正六邊形排列的橢圓形空氣孔，其中第二層空氣孔內(nèi)表面鍍有金膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR傳感模型，其特征在于所述聚乙烯材料其折射率為I. 5。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR傳感模型，其特征在于所述橢圓形空氣孔的長(zhǎng)軸da為I. O μ m，短軸db為O. 8 μ m，相鄰空氣孔中心距Λ為2. O μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR傳感模型，其特征在于所述金膜的厚度為50nm。
全文摘要
一種新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR傳感模型，采用纖芯包層結(jié)構(gòu)，材料為聚乙烯，纖芯為實(shí)芯，包層中設(shè)有三層呈正六邊形排列的橢圓形空氣孔，其中第二層空氣孔內(nèi)表面鍍有金膜。利用金膜表面產(chǎn)生的等離子體共振對(duì)周圍的介質(zhì)環(huán)境十分敏感的特性，可以將金屬表面臨近物質(zhì)的折射率的微小變化轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的吸收峰的位移，能夠設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高靈敏度的光子晶體光纖SPR傳感器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提出一種新型結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖SPR傳感模型，其靈敏度較現(xiàn)有的一般傳感器有所提高；僅在一層空氣孔內(nèi)表面鍍膜，仿真時(shí)大大降低了軟件的計(jì)算量，節(jié)省了仿真時(shí)間。
文檔編號(hào)G01N21/55GK102608068SQ201210061499
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者任廣軍, 劉蓓, 孟慶瑩, 胡海燕, 董莉 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)