[发明专利]一种基于双芯双侧抛型PCF-SPR传感器

说明书

本发明提供了一种基于双芯双侧抛型PCF‑SPR传感器，该传感器由一段包层二边侧抛的双芯PCF、金膜，和二维材料石墨烯组成。本发明利用双芯双侧抛型PCF侧抛面上的金膜产生的SPR对待测介质折射率变化十分敏感的特性，来实现传感。当待测介质折射率的发生变化时，其损耗峰会发生偏移，通过测量损耗峰值的偏移量来实现高灵敏度的PCF‑SPR传感器的传感测量，测出待测溶液的折射率。本发明的优点是：双侧抛型PCF的侧抛面增大对待测溶液的接触面，增强纤芯倏逝场的泄露，增强SPR效应，石墨烯涂覆金膜的设计能够显著提高传感器的灵敏度，实现该传感器对待测液体折射率的测量。该传感器结构和工艺简单，体积小，灵敏度高，具有良好传感特性。

(一)技术领域

本发明涉及一种基于双芯双侧抛型光子晶体光纤(pohotonic crystal fiber,PCF)表面等离子体共振传感器，属于光子晶体光纤、光纤传感领域。

(二)背景技术

光纤在通信中起着至关重要的作用。传统光纤通过全内反射机制传导光波，要求光纤纤芯的折射率必须高于周围包层折射率；另外，传统光纤还有弯曲损耗、色散及输人功率不高等问题，造成较大的传输损耗。由于光子晶体的光子带隙保证了能量的无损失传输，而且不会出现延迟等影响数据传输率的现象，因此，利用光子晶体制作的新型光纤——光子晶体光纤在这方面就有显著的优势。PCF的空芯结构为光纤传感发展提供了新的选择，可以在多孔结构的PCF中通入气体或液体，使其与气孔表面的倏逝波相互作用，这些物质对温度、压力、磁场等外界条件变化更为敏感。近年来SPR被引入PCF中，成为研究的热点。

表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)是一种物理光学现象，由入射光波和金属导体表面的自由电子相互作用而产生。随着SPR技术的发展，人们将PCF技术与SPR结合起来发明了PCF-SPR传感器。PCF-SPR传感器有很多的有点，首先灵敏度高，本发明利用SPR效应，通过外界待测介质折射率的变化影响共振波长峰值的移动，来实现传感检测。再者，由于PCF结构简单多变，有很强的塑造性，可进行远距离的传播。重要的是还可以与计算机连接，对现在的智能化发展具有促进作用。除此之外，它还能“实时”检测和分析不同的生物和化学物质浓度。鉴于以上优点，PCF-SPR传感器有着广泛的应用。

由于传统的填充型PCF-SPR传感器一般是在空气孔或者金属镀层孔填充待测物质，传感器的使用与调节变得复杂；而双侧抛型PCF-SPR传感器因其结构特殊，易制造，能够保证对外界环境变化的敏感性，待测物质与金属层直接接触且易更换，故而双侧抛型传感器在众多传感领域中的应用更广阔PCF-SPR传感器是利用SPR原理，采用PCF作为波导介质。利用一束光在两种不同介质分界面处发生全内反射时产生的倏逝波，激发金属表面的自由电子产生表面等离子体共振。产生的倏逝波从光密介质进入光疏介质中，而金属表面又存在一定的等离子波，二种波在一定条件下会发生共振，此时倏逝波的能量耦合到等离子波中，入射光的能量被吸收，使得反射光强相应曲线出现一个峰，即共振吸收峰。 PCF感器利用这一现象，通过分析外界待测介质折射率的变化影响共振吸收峰值的偏移量，检测外界待测物质折射率的变化，计算出该传感器的灵敏度。

由于PCF-SPR传感器其结构设计的灵活性及其优点，沿传播方向有排列规则分布的直径为波长量级的空气孔，近年来PCF-SPR传感器克服了耦合损耗大、保偏性差的缺点而被很多研究者青睐。2015年，Ahmmed A.Rifat等人提出了一种光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器，该传感器在分析物折射率为1.33～1.37的范围内，显示了光谱灵敏度为2000nm/RIU。2015年Dash等人描述了一种基于石墨烯的D 形PCF-SPR生物传感器。2017年Md.RH等人设计了一种高灵敏度镀金PCF传感器，该传感器在光纤表面镀上一圈金膜做传感层，该传感器在分析物折射率为1.33～1.36 的范围内，显示了光谱灵敏度为2200nm/RIU。。