[發明專利]基于SPR的方孔光子晶體光纖折射率傳感裝置及方法

在審

• 申請號: 202011302618.5
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112432924A
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 馮月;王韶峰;沈濤;梁涵;楊添宇;張智文;王東興;張偉超
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/552;G01N21/01
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.基于SPR的方孔光子晶體光纖折射率傳感裝置及方法，其特征在于，由寬帶光源(1)、偏振器(2)、流通池(3)、D型光子晶體光纖(4)、單模光纖(5)、光譜分析儀(6)和計算機(7)組成；所述光纖折射率傳感器位于流通池內，流通池內有控制液體分析物的入口(8)和出口(9)；

所述D型光子晶體光纖(4)側面拋光表面涂覆銀摻雜氧化鋅薄膜，與所述D型光子晶體光纖(4)熔接的單模光纖(5)、涂覆銀摻雜氧化鋅薄膜的D型光子晶體光纖(4)一起構成所述基于SPR的方孔光子晶體光纖折射率傳感裝置的探頭；

所述D型光子晶體光纖(4)包括：包層(10)、29個位于包層中的空氣孔；其特征在于，空氣孔(11)和空氣孔(12)以原點為中心分別旋轉20°、40°、60°、79°，再鏡像形成第一層空氣孔、第二層空氣孔；空氣孔(13)以原點為中心分別旋轉20°、40°、60°，再鏡像形成第三層空氣孔；橢圓空氣孔(14)位于y軸(空)纖芯處；橢圓空氣孔(15)位于第二層空氣孔與第三層空氣孔之間，靠近y軸(空)纖芯處，再鏡像形成關于y軸對稱的空氣孔；

所述D型光子晶體光纖(4)側面拋光表面涂覆銀摻雜氧化鋅薄膜的制備方法為：將60mL醋酸鋅無水乙醇溶液(0.015M)和30mL氫氧化鈉無水乙醇溶液(0.0225M)在燒杯中混合攪拌2小時，制得種子溶液；將純ZnO的種子溶液與300mL的硝酸鋅溶液(0.03M)和300mL的六甲基四胺溶液(0.03M)混合攪拌；通過混合和攪拌150毫升硝酸鋅(0.008M，0.0076M，0.0072M，0.0068M，0.0064M，0.006M)水溶液，150毫升硝酸銀(0.024M，0.0248M，0.0256M，0.0264M，0.0272M，0.028M)水溶液和六次甲基四胺300毫升(0.03M)溶液獲得不同濃度的Ag摻雜ZnO(60％～70％)納米材料。

2.根據權利要求1所述的基于SPR的方孔光子晶體光纖折射率傳感裝置及方法，其特征在于：所述D型光子晶體光纖(4)的包層空氣孔間距Λ為10-12μm，包層直徑D為100μm，采用方形孔，空氣孔(11)、空氣孔(12)和空氣孔(13)的邊長d₁、d₂和d₃分別為8.55-9.45μm、6.65-7.35μm、4.75-5.25μm；橢圓空氣孔(14)的短軸a和長軸b分別為3μm和7μm；橢圓空氣孔(15)的短軸a和長軸b分別為4μm和5μm。

3.根據權利要求1所述的基于SPR的方孔光子晶體光纖折射率傳感裝置及方法，其特征在于：所述D型光子晶體光纖(4)的包層材料為熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定義。

4.根據權利要求1所述的基于SPR的方孔光子晶體光纖折射率傳感裝置及方法，其特征在于：所述液體分析物是通過混合不同質量比的蔗糖和去離子水獲得，由阿貝折射儀測量。

5.基于SPR的方孔光子晶體光纖折射率傳感裝置及方法，其特征在于：采用堆疊-拉絲技術制備光子晶體光纖，然后在V型槽中進行拋磨加工成D型光子晶體光纖，利用射頻磁控濺射方法可以得到所述的涂覆銀摻雜氧化鋅薄膜的D型光子晶體光纖；

所述的堆疊-拉絲技術為：首先對石英套管進行預處理，在超凈環境下按照參數拉制毛細管，拉制溫度為1900℃-2000℃，之后對毛細管兩端用氫氧焰進行拉錐封孔，在石英套管中將毛細管按照設計要求堆積形成所需的結構，用純石英棒對空隙進行填充，利用氧炔火焰將石英套管與毛細管燒結在一起，在拉絲塔上使用兩次拉絲技術制成光子晶體光纖；

所述的基于SPR的方孔光子晶體光纖折射率傳感裝置及方法，其傳輸路徑如下：所述寬帶光源(1)經過偏振器(2)變成y偏振光，通過流通池(3)傳輸到D型光子晶體光纖(4)，由D型光子晶體光纖(4)輸出由單模光纖(5)輸入至光譜分析儀(6)，光譜分析儀(6)的輸出端連接計算機(7)，其特征在于：

所述銀摻雜氧化鋅薄膜表面激發的等離子體波波矢與入射光場的波矢在特定的波長范圍內達到相位匹配，發生耦合，出現共振損耗峰；表面等離子體共振(SPR)對介質環境十分敏感，液體分析物折射率RI變化會使共振條件發生變化，導致共振損耗峰發生明顯變化，可以實現高靈敏度、實時性探測。