[發明專利]一種微結構光纖表面等離子體共振傳感器

無效

• 申請號: 201210081119.7
• 申請日: 2012-03-26
• 公開（公告）號: CN102590143A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 祝遠鋒;張永康;陳明陽;楊繼昌
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G02B6/036
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及表面等離子體共振傳感器的設計技術領域，具體涉及利用環形孔微結構光纖的纖芯基模與表面等離子體模共振原理測量液體折射率，提高傳感器測量精度。

背景技術

表面等離子體共振(SPR)傳感器在化學、生物、環境與醫藥等領域具有重要應用，近年來，為了實現長距離的實時檢測和系統微型化，光纖SPR傳感器得到了廣泛重視和研究，目前，基于普通單模光纖的SPR傳感器還面臨兩個主要困難，第一是纖芯基模與表面等離子體模的相位匹配問題，也就是在運轉波長處要實現兩種模式的有效折射率實部相等，一般只有在高頻處，兩種模式的有效折射率才滿足相位匹配條件，但這種情況限制了表面等離子體模透入分析液的深度，降低了傳感靈敏度；第二個問題是基于普通光纖的SPR傳感器封裝困難，設計過程復雜，增加了設計成本。微結構光纖的結構特點為SPR傳感器設計提供了新思路，微結構光纖SPR傳感器的優點有：可在孔內鍍金屬膜和填充分析液，便于SPR傳感器封裝；結構設計靈活，易于相位匹配。目前，有人提出了一種基于蜂窩狀光子帶隙結構的SPR傳感器[?B.?Gauvreau,?et?al,?“Photonic?bandgap?fiber-based?Surface?Plasmon?Resonance?sensors,”?Opt.?Express?15,?11413–11426(2007)]，在纖芯內引入小空氣孔降低來纖芯基模的有效折射率，實現了纖芯基模與表面等離子體模的共振耦合，當微流體流經鍍膜的包層孔時，微流體折射率值的變化引起透射光損耗峰的變化，從而實現微流體折射率的實時檢測，運轉波長在1000nm附近，光譜靈敏度為1.375·10⁴nm·RIU^?1。但這種結構的纖芯基模是類高斯模式，場強分布中心存在凹陷，增加了與普通高斯光源的耦合難度；還有人提出了一種基于三孔光子晶體光纖的SPR傳感器[M.?Hautakorpi,?et?al.,?“Surface-plasmon-resonance?sensor?based?on?three-hole?microstructured?optical?fiber,”?Opt.?Express?16,?8427–8432(2008).]，這種結構的有效纖芯直徑小于1.1μm，在可見光區域支持高斯模式的單模運轉，實現了模式相位匹配，并且液體填充孔的尺寸較大，便于液體填充，光譜靈敏度可達1.0·10³nm·RIU^?1，由于運轉波長在可見光區域，光譜靈敏度不是太高；人們還提出了一種H型光纖SPR傳感器，這種結構將一種具有高折射率的介質層鍍在金屬層上，實現了纖芯基模與表面等離子體模的相位匹配[M.?Erdmanis,?et?al.,?“Comprehensive?numerical?analysis?of?a?surface-plasmon-resonance?sensor?basedon?an?H-shaped?optical?fiber”,?Opt.?Express?19,13980–13988(2011)]，纖芯基模保持高斯模式，運轉波長在C波段，光譜靈敏度可達5.0·10³?nm·RIU^?1，其結構是開放型結構，優化了實時傳感響應時間，但存在封裝難度。

發明內容

本發明的目的是提出一種實現纖芯基模低損耗傳輸、靈敏度高，易于與普通高斯光源耦合的微結構光纖SPR傳感器。

本發明的技術方案是：一種微結構光纖表面等離子體共振傳感器，包括纖芯和包層，所述包層為三層同心的環形包層，內層環形包層由扇環形支撐臂和介于所述扇環形支撐臂間的內層空氣孔組成，外層環形包層由矩形支撐臂和介于所述矩形支撐臂間的外層液體孔組成，中層環形包層連接所述扇形支撐臂和矩形支撐臂；所述扇環形支撐臂與矩形支撐臂數量均為N，且傳感器具有360/N^o旋轉對稱性；所述內層空氣孔填充空氣，所述外層液體孔填充分析液，所述纖芯材料和包層材料相同。

進一步，所述外層液體孔靠近纖芯的內壁上鍍一層金屬薄膜。

進一步，所述扇環形支撐臂對應的圓心角角度????????????????????????????????????????????????小于22^ｏ。

進一步，所述內層環形包層的外半徑R₁小于3.2μm。

進一步，所述扇環形支撐臂和矩形支撐臂的數量N為3、4、5或8個。