[发明专利]基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器

说明书

本发明提供了一种石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR折射率传感器。所述光纤SPR传感器包括一具有平面壁和曲面侧壁的折射率引导型光子晶体光纤，所述折射率引导型光子晶体光纤留有左右相互对称的两个纤芯，横截面呈D形，在所述平面壁上具有传感层。本发明在D形光子晶体光纤表面，左右纤芯所对应的传感层分别为石墨烯包覆的金/银纳米柱。利用金/银纳米柱表面产生的等离子体共振对周围的介质环境十分敏感的特性，可以将金属表面临近物质的折射率的微小变化转换成可测量的吸收峰的位移，设计实现高灵敏度的光子晶体光纤SPR传感器。本发明的优点是：双芯结构的设计拓宽了该折射率传感器的检测范围。石墨烯包覆金/银纳米柱的设计既能明显提高传感器的灵敏度，又能有效防止银纳米柱的腐蚀及氧化。该传感器设计新颖，结构简单，体积小，检测范围宽，抗腐蚀能力强，灵敏度高，是一种实用的折射率传感器。

技术领域

本发明涉及光纤SPR传感技术，特别是一种基于石墨烯包覆的双芯D型光子晶体光纤SPR传感器。

背景技术

表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)是一种由P偏振光或横磁(transverse magnetic,TM)波引起，激发于金属与介质表面的电子集体振荡的光学现象。这种光学现象产生的电磁波被称为表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPPs)，并在一定条件下表现为倏逝波。SPR是在一定条件下，用全内反射(total internalreflection,TIR)倏逝波辐射金属表面时，表面等离子体波与金属表面耦合所产生。利用表面等离子体激元对周围介质折射率(refractive index,RI)的变化极为敏感的特性，SPR已成为化学、生物医学以及环境监测领域一项很有前途的传感技术。基于TIR机制，利用棱镜、光纤和光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)激发SPR的操作平台很多，1968年Kretschmann-Raether提出的棱镜结构存在传感器体积大的问题，1992年美国华盛顿大学的Jorgenson和Yee提出利用光纤作为载体实现基于Krestchmann棱镜结构的SPR效应，并于次年设计了光纤SPR传感器。虽然光纤代替棱镜具有小型化和遥感能力，但传统的光纤SPR传感器存在结构单一，灵敏度较低的缺点。

基于PCF的SPR传感器沿传播方向排列有规则的气孔，由于其结构设计的灵活性，近年来PCF-SPR传感器引起了科研人员的极大关注。2012年Tian M,Lu P,Chen L等设计了一种全固态D型PCF-SPR传感器，在折射率范围为1.33-1.38内，其波长灵敏度最高可达7300nm/RIU。2014年Tan Z,Li X,Chen Y等设计了一种液芯D型PCF-SPR传感器，在折射率范围为1.32-1.36内，其波长灵敏度最大为6430nm/RIU。2015年DF Santos等设计了一种微结构的D型PCF-SPR传感器，在折射率为1.36-1.39内，其最大波长灵敏度达到了10200nm/RIU。2019年Haiwei Fua和Min Zhang设计了一种石墨烯包覆银纳米柱的光纤传感器，石墨烯的应用有效解决了银易腐蚀和氧化的问题，该传感器在折射率范围为1.33-1.39范围内，最高灵敏度达到了8860.93nm/RIU。

基于前述工作，为解决传感器的金属膜易氧化，增长其使用寿命，以及拓宽检测范围，提高检测精度。本文设计了一种新型的石墨烯包覆金/银纳米柱的双芯D型PCF-SPR传感器，该传感器的结构在传统的D型PCF-SPR传感器上加以改进，在光子晶体光纤上预留了两个对称纤芯，并在这两个纤芯上表面分别涂覆有石墨烯包覆的金/银纳米柱，该设计不仅拓宽了检测的折射率范围，而且在一定检测范围内产生了明显的两个谐振峰，通过观察同时检测两个共振峰的移动实现对样品折射率的检测，以提高检测精度。该传感器设计新颖，结构简单，体积小，检测范围宽，抗腐蚀能力强，灵敏度高，是一种实用的折射率传感器。

发明内容