[发明专利]一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤甲烷传感器

说明书

本发明涉及一种甲烷传感器，具体涉及一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤甲烷传感器，甲烷传感器为光子准晶体光纤，其包层由按六重Penrose型准晶结构排布的两层空气孔组成，第一层为6个内层空气孔，所包围区域为纤芯，第二层为8个外层空气孔，其中纤芯的上方和下方的4个内层空气孔的直径小于其余两个内层空气孔的直径；光子准晶体光纤的材料为二氧化硅，且光子准晶光纤的两面对称侧抛，侧抛的两个表面镀银薄膜，在银薄膜的表面涂覆甲烷敏感薄膜，该双面结构能有效增强表面等离子体共振效应。结构简单，易于制作，灵敏度高的甲烷传感器，降低了检测难度。

技术领域：

本发明涉及一种甲烷传感器，具体涉及一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤甲烷传感器。

背景技术：

表面等离子体共振(surface plasmon resonance，SPR)是指金属和电介质层之间由于自由电子震荡而产生的光学现象，当入射光发生全反射时，消逝波与表面等离子波产生共振时，导致反射光强大幅度减弱。光纤表面等离子体共振传感器是将光纤技术与表面等离子体共振技术结合，实现折射率的测量，其具有体积小、设计灵活、响应速度快、灵敏度高，可实现远距离连续测量等优点，可用于生物医学检测、环境监测、食品检测、生物化学传感等领域。

常见的光纤表面等离子体共振传感器包括光纤布拉格光栅(FBG)SPR传感器、长周期光纤光栅(LPFG)SPR传感器、倾斜光纤光栅(TFBG)SPR传感器和光子晶体光纤SPR传感器。上述传感器中，光子晶体光纤SPR传感器具有结构设计灵活、灵敏度高、可解决SPR传感器相位匹配困难的问题，使其在光纤传感领域得到广泛关注。光子晶体光纤(PCF)的横截面上由不同排列形式的气孔组成，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级，光波可以被限制在光纤纤芯中传播。光子准晶光纤(PQF)可视为一种特殊结构的光子晶体光纤，其突破了PCF结构的平移对称性，具有长程有序性。PQF空气孔的分布按照准晶晶格排列，晶格由不同内角的菱形构成，准晶整体结构表现为旋转对称性，使得PQF的设计自由度更广，并且PQF比PCF在多数光学特性上表现的更为优越。

近几年，基于光子晶体光纤表面等离子体共振(PCF-SPR)技术的气体传感器被相继报道，在有害气体监测领域展现出巨大的应用潜力。2017年，孙超等提出了一种无芯结构的反射式光子晶体光纤甲烷气体传感器，在甲烷体积分数为0-1.5％时，灵敏度为0.85nm/％。Yang等研制了一种新型光子晶体光纤甲烷气体传感器，在甲烷体积分数为0-3.5％范围内展现出较高的灵敏度与线性度。2019年王猛在光子晶体光纤的一个空气孔内壁上镀金属薄膜，并在金属薄膜表面涂敷甲烷敏感材料，实现甲烷浓度的测量，其灵敏度达到1.18nm/％。

上述PCF-SPR甲烷传感器结构复杂，需要在PCF的空气孔内壁上镀膜，制作工艺复杂，成功率较低，并且向PCF空气孔内充入待测气体比较困难，测量灵敏度较低。为此，设计结构简单、易于制作、灵敏度高的甲烷传感器具有重要的意义。

发明内容：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤甲烷传感器，设计了一种结构简单，易于制作，灵敏度高的甲烷传感器，降低了检测难度。

本发明采用的技术方案为：一种基于SPR的高灵敏度光子准晶体光纤甲烷传感器，所述甲烷传感器为光子准晶体光纤，其包层由按六重Penrose型准晶结构排布的两层空气孔组成，第一层为6个内层空气孔，所包围区域为纤芯，第二层为8个外层空气孔，其中纤芯的上方和下方的4个内层空气孔的直径小于其余两个内层空气孔的直径；所述光子准晶体光纤的材料为二氧化硅，且光子准晶光纤的两面对称侧抛，采用抛磨的方法加工光子准晶体光纤，对称形成两个平面，侧抛的两个表面镀银薄膜，用磁控溅射法在侧抛平面镀金属银，在银薄膜的表面涂覆甲烷敏感薄膜，采用毛细管浸渍涂层技术在银膜表面涂覆由Cryptophane E与聚硅氧烷共同制备的甲烷敏感膜，该双面结构能有效增强表面等离子体共振效应。