[发明专利]一种基于双折射的石墨烯-金涂覆的PCF折射率传感器

说明书

本发明设计了一种基于D型石墨烯‑金涂覆的PCF折射率传感器，该传感器由一段包层区域抛磨掉部分形成的D型PCF、金薄膜和石墨烯材料组成。本发明主要利用石墨烯材料提高金薄膜表面分子吸附来提高传感器的灵敏度。PCF的结构利用双折射效应，增强光激发SPR，金薄膜作为等离子材料激发SPR效应。通过准确测量共振波长的变化，就能得到金薄膜表面未知溶液折射率的变化，来实现传感检测。该传感器的优点在于结构简单能够获得高灵敏度，低损耗，外部传感能够实时检测。

(一)技术领域

本发明涉及一种基于D型石墨烯-金涂覆光子晶体光纤(pohotonic crystalfiber,PCF)折射率传感器，属于特种光纤、光纤传感领域。

(二)背景技术

表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)，是一种发生在介质金属面上的物理现象。当一束光在纤芯内以全反射传播产生倏逝波时，倏逝波以驻波的形式穿透光纤包层激发金属产生自由电子，集体震荡的自由电子会产生沿着传播方向的等离子体波。当改变入射光波长或角度，使得等离子体波的频率等于倏逝波的频率时，就能观察到SPR现象。

由于光子晶体光纤(PCF)结构上的多样性，表面等离子体共振传感器灵敏度高和样品无需标记，因此光子晶体光纤表面等离子共振传感器应运而生，成了近几年研究人员的研究方向。光子晶体光纤表面等离子共振(PCF-SPR)传感器具有优异的特性，应用在浓度测量和生物检测等众多领域。PCF-SPR传感方法有很多优点，例如:实现长距离的实时动态检测是利用光纤的在线传输；其结构简略、容易实现仪器的集成化，它可以进入传统型SPR传感器不易进入的地方进行检测。因其优点，在SPR传感领域应用中地位很高。

由于纤芯集中了绝大多数的能量，因此包层中的倏逝波随着离纤芯距离增大呈指数函数形式衰减。光纤通常需要抛磨掉一定深度包层和涂覆层，然后在抛磨面上镀一层金属薄膜，目的是能产生SPR效应。近年来对PCF-SPR折射率传感器的研究越来越多，特别是D型光纤，使用金薄膜作为等离子材料也被普遍使用。2015年，Rifat,A.A等人提出一种石墨烯包覆铜的光子晶体光纤等离子体生物传感器，在折射率范围1.33-137，平均灵敏度达到2000nm/RIU，传感精度5×10^-5RIU最大损耗峰值120dB/cm。2018年，Kai Tong等人提出一种D型石墨烯涂覆银的光子晶体光纤生物传感器，在折射率范围1.34-1.40，平均灵敏度达到4850nm/RIU，传感精度2×10^-5RIU，最大损耗峰值270dB/cm。2019年，Bin Li等人提出一种基于光子晶体光纤石墨烯增强的表面等离子体液体折射率传感器，在折射率范围1.33-1.3688，平均灵敏度达到2290nm/RIU，最大损耗峰值78dB/cm。

以上分析中还存在很多改进空间，比如灵敏度不太高，传感范围窄，传感损耗比较大等缺点。而且PCF在制备上有很大困难，所以就需要设计具有高灵敏度低损耗的传感器。本设计基于研究背景设计了一种新的结构，在空气孔的排布和大小做了设计，由三个环六角形排布的空气孔组成，纤芯正交方向的空气孔尺寸不同，可以得到双折射效应。结构上还在包层部分抛磨一定深度，抛磨面平行纤芯，为了增加金薄膜表面吸附分子的能力，在金薄膜表面上沉积一层石墨烯二维材料。PCF光纤传感器的传感区域在光纤外部，可以直接接触未知溶液，避免孔内镀膜和传感测试的缺点。通过合理的设置PCF的数值孔径，金薄膜的厚度及石墨烯的层数，可以得到一个最佳灵敏度的物理参数，从而实现传感器在折射率范围内有着高灵敏度和低损耗的传感测量。而且该传感器结构和工艺简单，集成度高，是一种在测量范围内能够实现准确实时检测的实用型传感器。

(三)发明内容

针对上述问题，本发明主要是提供一种结构简单工艺易于实现，稳定性好、分辨率高的折射率传感器。

本发明通过以下技术方案实现的：