本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，尤其是涉及到基于表面等離子體共振(spr)的光纖傳感技術(shù)，具體涉及一種基于石墨烯增強(qiáng)d型光纖spr折射率傳感模型。

背景技術(shù)：

光纖傳感器目前在世界上的研究有很多，主要分為兩個(gè)研究方向：原理性研究、開發(fā)應(yīng)用性研究。由于目前的光纖發(fā)展迅速，光纖種類層出不窮而且應(yīng)用領(lǐng)域也愈來愈廣，因此光纖傳感器的研究也越來越受重視。

spr(surfaceplasmonresonance,表面等離子體共振)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。表面等離子體共振傳感器已被廣泛應(yīng)用于研究生物分子間的相互作用及濃度測量。隨著研究的不斷深入，表面等離子體共振技術(shù)將在疾病控制、藥物開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、食品安全以及國土安全等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。如果提高表面等離子體共振傳感器的靈敏度，將會(huì)使其應(yīng)用更廣泛。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)分析，提供一種spr折射率傳感模型，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(shí)現(xiàn)基于d型光纖的介質(zhì)折射率檢測的高線性和靈敏度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：基于d型光纖spr折射率傳感模型，包括單模光纖，所述單模光纖的纖芯外包裹有包層，沿單模光纖的軸向切除包層，使單模光纖形成截面為d形的光纖，在包層的切除面涂覆的石墨烯層，再在石墨烯層上涂覆銀納米層，然后在銀納米層放置待測介質(zhì)。

進(jìn)一步，所述銀納米層的厚度為20-50nm。

進(jìn)一步，所述石墨烯層厚度為1-20nm。

進(jìn)一步，所述石墨烯層與纖芯在截面豎直方向的距離為5-7μm。

進(jìn)一步，所述纖芯的半徑為6-12μm。

進(jìn)一步，所述纖芯的折射率為1.43-1.46。

進(jìn)一步，所述包層的半徑為30-70μm。

進(jìn)一步，所述待待測介質(zhì)折射率為1.41-1.45。

本發(fā)明是采用將普通單模光纖橫截面切去一部分加工成d型剖面結(jié)構(gòu)，在切面先涂覆一層石墨烯層，在石墨烯層上再涂覆銀納米層的結(jié)構(gòu)。銀納米層的spp模式與d型光纖基模在相位匹配條件下達(dá)到共振耦合，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(shí)現(xiàn)對介質(zhì)折射率的檢測，石墨烯層用來增強(qiáng)銀納米層表面等離子體共振折射率傳感，在一定范圍內(nèi)具有高線性和靈敏度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明模型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是待測介質(zhì)折射率分別為1.42、1.43、1.44時(shí)，d型光纖基模損耗隨波長變換曲線；

圖3是本發(fā)明的d型光纖spr折射率傳感特性曲線。

圖中：1.纖芯，2.包層，3.石墨烯層，4.銀納米層，5.待測介質(zhì)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。參見圖1至圖3，基于d型光纖spr折射率傳感模型，包括單模光纖，所述單模光纖的纖芯1外包裹有包層2；首先，沿單模光纖的軸向切除包層2，使單模光纖形成截面為d形的光纖，在包層2的切除面涂覆的石墨烯層3；再在石墨烯層3上涂覆銀納米層4，然后在銀納米層4放置待測介質(zhì)5。光纖的纖芯1直徑為8.6μm，折射率為1.4457；包層2的直徑為80μm，折射率為1.4378；石墨烯層3的厚度為12nm；銀納米層4的厚度為30nm，石墨烯層3與纖芯1中心的距離為6μm。

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。將單模光纖切點(diǎn)一部分加工成d型結(jié)構(gòu)，表面涂覆金屬納米層與待測介質(zhì)5接觸。由于金屬層與纖芯1的距離很近，金屬表面等離子體波與纖芯基模很容易發(fā)生共振耦合。通過理論分析得到，在金屬納米層下面增加一層石墨烯層3結(jié)構(gòu)可以使得金屬表面的待測介質(zhì)5的折射率對這兩種波共振時(shí)的入射光波長非常敏感。利用這一特性，待測介質(zhì)5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)5的折射率，兩波的共振波長會(huì)發(fā)生明顯的平移，光纖1中的傳輸光損耗大小會(huì)發(fā)生改變，因此通過分析d型光纖中傳輸光損耗峰就可以達(dá)到傳感的目的。

本發(fā)明采用d型光纖的spr折射率傳感模型，利用銀納米層4的spp模式與d型光纖基模耦合，在相位匹配條件下達(dá)到共振耦合。耦合模式光部分局域在金屬銀納米層4與待測介質(zhì)5表面，傳輸過程中被金屬銀大量吸收，共振波長傳輸損耗達(dá)到峰值。而共振模式的光部分局域在待測介質(zhì)5上，利用共振波長對金屬表面待測介質(zhì)5折射率變化非常敏感這一特性實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)折射率的檢測。而石墨烯層3的設(shè)計(jì)有效的提高共振波長對待測介質(zhì)5折射率變化的靈敏度。

如圖2所示，待測介質(zhì)5折射率分別為1.42、1.43、1.44時(shí)，d型光纖基模等效折射率虛部隨波長變換曲線。在其峰值波長，金屬納米層spp模式與光纖基模實(shí)現(xiàn)完全共振耦合。傳輸模式等效折射率虛部可以直接反應(yīng)該模式下的傳輸損耗，所以等效折射率虛部峰值也可以認(rèn)為是傳輸損耗的峰值。該結(jié)構(gòu)傳感特性曲線如圖3所示，在待測介質(zhì)5折射率為1.42-1.44范圍內(nèi)，具有超高線性特性，靈敏度達(dá)到超過50000nm/riu。

本發(fā)明采用金屬（一般為金或銀）作為激發(fā)表面等離子體金屬，可以由靈敏度公式計(jì)算得出其靈敏度超過50000nm/riu。將石墨烯層3和銀納米層4涂覆在d型光纖表面，待測介質(zhì)5與銀納米層4接觸，容易達(dá)到相位匹配，實(shí)現(xiàn)spp模式與光纖基模的共振耦合，通過傳輸損耗峰值位置確定共振波長，大大的提高了傳感的效率和精度。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在光纖spr傳感方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于D型光纖SPR折射率傳感模型，沿單模光纖的軸向切除包層，使單模光纖形成截面為D形的光纖，在包層的切除面涂覆的石墨烯層，再在石墨烯層上涂覆銀納米層，然后在銀納米層放置待測介質(zhì)。本發(fā)明銀納米層的SPP模式與D型光纖基模在相位匹配條件下達(dá)到共振耦合，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(shí)現(xiàn)對介質(zhì)折射率的檢測，石墨烯層用來增強(qiáng)銀納米層表面等離子體共振折射率傳感，在一定范圍內(nèi)具有高線性和靈敏度。

技術(shù)研發(fā)人員：劉彬;梁紅勤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南昌航空大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.04
技術(shù)公布日：2017.09.01