[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
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• 代理人: 暫無信息

本發明專利提供了基于SPR的方孔光子晶體光纖折射率傳感裝置及方法，由寬帶光源、偏振器、流通池、D型光子晶體光纖、單模光纖、光譜分析儀和計算機組成；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和出口；D型光子晶體光纖側面拋光表面涂覆銀摻雜氧化鋅薄膜，與D型光子晶體光纖熔接的單模光纖、涂覆銀摻雜氧化鋅薄膜的D型光子晶體光纖一起構成所述基于SPR的方孔光子晶體光纖折射率傳感裝置的探頭。利用SPR傳感機制，將液體分析物折射率RI的微小變化轉換成可測量的損耗峰的變化，實現折射率傳感，具有靈敏度高、設計靈活、結構緊湊、穩定性強等優點，在生化分析物檢測、水污染監控中具有廣泛的應用價值。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及基于SPR的方孔光子晶體光纖折射率傳感裝置及方法。

背景技術

表面等離子體共振(SPR)存在于金屬和介質(或空氣)之間，利用全反射倏逝波激發表面等離子體極化激元(SPP)。SPR傳感技術因其靈敏度高、無背景干擾、樣品無標簽、無需進一步純化、實時快速檢測等特點，已經成為監測分析物的折射率、過濾特定頻率的光和檢測納米生物膜的形成的多功能工具。近年來，基于光子晶體光纖(PCF)的SPR傳感器的概念已被提出。光子晶體光纖的特點是其設計的靈活性，因此可以通過不同的氣孔布置來定制色散、雙折射、非線性等。這些方面使得光子晶體光纖在許多領域特別引人注目，并在基于氣體的非線性光學、原子和粒子制導、超高非線性、摻稀土激光和傳感等領域有廣泛的應用。PCF-SPR傳感器可以實現等離子體模式和基模模式的完美匹配，因為基模的有效折射率可以設計為零到核心材料的折射率之間，在折射率檢測方面具有很高的靈敏度和分辨率。克服了基于棱鏡和傳統光纖的SPR傳感器體積大、傳輸損耗高、靈敏度低的缺點。

側邊拋磨光子晶體光纖是利用光纖研磨拋光技術除去部分包層的光纖元件，既能保持傳統光纖的優勢，又能使光纖內傳導模式通過拋磨區泄露出來用以其他的應用，例如利用倏逝波應用于傳感器領域等。J.J.Wu等人(J.J.Wu,S.G.Li,M.Shi,X.X.Feng,Photoniccrystal fiber temperature sensor with high sensitivity basedon surfaceplasmon resonance,Optical Fiber Technology,2018,43:90-94)提出一種基于SPR的PCF溫度傳感器，采用金屬金作為SPR激發材料，固體纖芯下方的四個小氣孔和一個大氣孔用于產生雙折射，測量溫度范圍為10-85℃(折射率范圍為1.336-1.3696)；N.Chen等人(N.Chen,M.Chang,X.L.Lu,J.Zhou and X.D.Zhang,Numerical Analysis of Midinfrared D-ShapedPhotonic-Crystal-Fiber Sensor based on Surface-Plasmon-Resonance Effectfor Environmental Monitoring,Applied Sciences,2020,10(11):3897)提出一種工作在近紅外波段(2.9-3.6μm)、用于環境監測的基于SPR效應的D型PCF折射率傳感器，分析物與金層直接接觸，而且環繞整個D型PCF，而不是只接觸拋光面，包層材料是硅，包層中的三層氣孔按照六邊形晶格排列；M.N.Sakib等人(M.N.Sakib,M.B.Hossain,K.F.Al-tabatabaie,I.M.Mehedi,M.T.Hasan,M.A.Hossain,I.S.Amiri,High Performance Dual Core D-ShapePCF-SPR Sensor Modeling Employing Gold Coat,Results in physics,2019,15:102788)提出采用金涂層、固體雙芯的D型PCF-SPR傳感器，分析物折射率范圍為1.45-1.48，兩個固體纖芯與y軸對稱，雙芯能量與金屬層能量耦合較困難，適用的探測范圍較窄；S.Singh等人(S.Singh,Y.K.Prajapati,Highly sensitive refractive index sensorbased on D-shaped PCF with gold-graphene layers on the polished surface,Applied Physics A,2019,125:437)提出一種在拋光表面涂有金和石墨烯層的D型PCF折射率傳感器，在固體纖芯x方向放置兩個大空氣孔，研究x方向偏振光發生耦合時的限制損耗譜；A.A.Rifat等人(A.A.Rifat,G.A.Mahdiraji,D.M.Chow,Y.G.Shee,R.Ahmed andF.R.M.Adikan,Photonic Crystal Fiber-Based Surface Plasmon Resonance Sensorwith Selective Analyte Channels and Graphene-Silver Deposited Core,Sensors,2015,15(5):11499-11510)提出一種D型光子晶體光纖SPR折射率傳感器，采用銀作為SPR激發材料，該傳感器不僅探測范圍較窄，而且不能滿足高靈敏度的要求。