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(kāi)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(shè)置為右側(cè)纖芯和左側(cè)纖芯；左側(cè)纖芯為實(shí)心基底材料；右側(cè)纖芯包括金屬柱體檢測(cè)孔和涂覆在金屬柱體表面的待測(cè)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(shí)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(dá)到了21514nm/RIU，大大的提高了傳感的效率和精度，對(duì)SPR_PCF的傳感擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說(shuō)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(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光子晶體光纖傳感領(lǐng)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(dǎo)引型PCF。之后1998年，J.C.Knight拉制了首根光子帶隙導(dǎo)引型PCF。光子晶體光纖有時(shí)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(jìn)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(shí)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(duì)比傳統(tǒng)光纖，有著許多優(yōu)異的性能，如無(wú)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(shè)計(jì)靈活可控等。因此受到了極大重視，備受關(guān)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(xué)現(xiàn)象。光在介質(zhì)與介質(zhì)表面發(fā)生全反射時(shí)，會(huì)形成消逝波進(jìn)入到光疏介質(zhì)中，而在光密介質(zhì)(假設(shè)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(shí)，會(huì)發(fā)生共振。共振后反射光強(qiáng)會(huì)大幅度地減弱，能量會(huì)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(huì)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(duì)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(cè)孔結(jié)構(gòu)，很容易達(dá)到相位匹配，實(shí)現(xiàn)共振耦合。利用共振波長(zhǎng)對(duì)金屬表面介質(zhì)折射率變化非常敏感這一特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)折射率的檢測(cè)，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(shè)置為右側(cè)纖芯和左側(cè)纖芯;所述左側(cè)纖芯為實(shí)心基底材料;所述右側(cè)纖芯包括金屬柱體檢測(cè)孔和涂覆在金屬柱體表面的待測(cè)介質(zhì)層。
[0006]進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步，所述金屬柱體檢測(cè)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(jìn)一步，所述待測(cè)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(shí)現(xiàn)共振耦合。在一定范圍內(nèi)具有很高的線性，靈敏度達(dá)到了21514nm/RIU。檢測(cè)孔為圓形狀并且是用待測(cè)介質(zhì)涂覆在金屬柱體上，容易達(dá)到相位匹配，實(shí)現(xiàn)共振耦合，直接確定共振波長(zhǎng)點(diǎn)，大大的提高了傳感的效率和精度。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)對(duì)SPR_PCF的傳感擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)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(cè)介質(zhì)層折射率從1.37至1.44時(shí)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(cè)孔，5.待測(cè)介質(zhì)層，6.左側(cè)纖芯。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。參見(jiàn)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(shè)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(cè)孔4、待測(cè)介質(zhì)5;所述的左側(cè)纖芯6為實(shí)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(gè)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(cè)孔4半徑r為0.48um，金屬柱體檢測(cè)孔3表面涂覆待測(cè)介質(zhì)。所述待測(cè)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(dá)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(dá)到峰值。利用共振波長(zhǎng)對(duì)金屬表面介質(zhì)折射率變化非常敏感這一特性實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)折射率的檢測(cè)。傳感特性曲線如圖2所示，在待測(cè)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(dá)到25852nm/RIU。
[0014]金屬柱體檢測(cè)孔4為圓形，并且是金屬柱體實(shí)芯，表面涂覆薄的待測(cè)介質(zhì)5，激發(fā)的金屬柱體檢測(cè)孔4的SPP模更強(qiáng)烈，容易達(dá)到相位匹配的條件，實(shí)現(xiàn)纖芯6基模與金屬柱體檢測(cè)孔4的SPP模共振耦合，確定共振波長(zhǎng)。如圖3分別表示了待測(cè)介質(zhì)折射率從1.37至1.44時(shí)金屬柱體檢測(cè)孔4的SPP模的損耗曲線圖和待測(cè)介質(zhì)5折射率為1.37時(shí)的纖芯6基模和金屬柱體檢測(cè)孔4的SPP模的抗交叉曲線(色散曲線和損耗曲線)，當(dāng)金屬柱體檢測(cè)孔4的SPP模式與纖芯6基模色散相同時(shí)為相位匹配點(diǎn)。結(jié)合圖3可得出選定的金屬柱體檢測(cè)孔4的SPP模很容易達(dá)到損耗最大點(diǎn)，即共振耦合處，此時(shí)入射光波長(zhǎng)就是要找的共振波長(zhǎng)。
[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(dá)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(cè)介質(zhì)。光纖內(nèi)通光，達(dá)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(guò)理論分析得到，改變金屬表面待測(cè)介質(zhì)的折射率對(duì)這兩種波共振時(shí)的入射光波長(zhǎng)非常敏感。利用這一特性，待測(cè)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(cè)介質(zhì)的折射率，兩波的共振波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生明顯的平移，光纖中的傳輸光損耗大小會(huì)發(fā)生改變，因此通過(guò)分析光子晶體光纖中傳輸光損耗大小就可以達(dá)到傳感的目的。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(shè)置為右側(cè)纖芯和左側(cè)纖芯；所述左側(cè)纖芯為實(shí)心基底材料;所述右側(cè)纖芯包括金屬柱體檢測(cè)孔和涂覆在金屬柱體表面的待測(cè)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(cè)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(cè)介質(zhì)層厚度為0.2-0.6um。
【文檔編號(hào)】G02B6/02GK105891944SQ201610434343
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月19日
【發(fā)明人】劉彬, 李軍, 劉云鳳
【申請(qǐng)人】南昌航空大學(xué)