[發(fā)明專利]一種基于D型雙金屬涂層的雙折射PCF折射率傳感器

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202110038144.6
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112858186A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設計）人: 楊宏艷;韋銀玉;劉孟銀;陳昱澎;梅梓洋;苑立波
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01N21/23
• 分類號: G01N21/23
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明設計了一種基于D型TiO₂?Au涂覆的雙折射光子晶體光纖折射率傳感器，該傳感器由一段包層區(qū)域拋磨掉部分形成的D型PCF、二氧化鈦和金薄膜組成。本發(fā)明利用SPR效應，通過準確測量共振波長的變化，就能計算出金薄膜表面未知溶液折射率的變化，來實現(xiàn)傳感檢測。本發(fā)明的優(yōu)點：PCF結(jié)構的D型設計和空氣孔的不對稱排布使得纖芯產(chǎn)生的倏逝波向包層泄露更多，PCF?SPR效應更強烈。為了解決金與基地材料的粘附問題，在基地與金薄膜之間涂覆一層二氧化鈦材料，二種等離子體激發(fā)材料。纖芯方向空氣孔的不對稱性產(chǎn)生雙折射，增強金薄膜表面SPR現(xiàn)象，提高傳感器的測量折射的靈敏度和測量精度。該傳感器結(jié)構緊湊，能夠?qū)崟r檢測，靈敏度高，損耗低，具有良好的傳感特性。

(一)技術領域

本發(fā)明涉及一種基于D型雙金屬涂層的雙折射光子晶體光纖(photonic crystalfiber,PCF)折射率傳感器，屬于特種光纖、光纖傳感領域。

(二)背景技術

光纖傳感的核心使命是獲取信息，在信息獲取和信息傳輸領域發(fā)揮著不可替代的作用。光子晶體光纖(PCF)是一種新型類型的光纖，特征是在包層區(qū)域有許多平行于光纖軸向的微孔，包層中的空氣孔陣列降低了包層的有效折射率，從而滿足“全反射”條件，光被束縛在芯區(qū)內(nèi)傳輸，這種導光機制與傳統(tǒng)光纖類似，被稱為“改進的”全反射原理。與傳統(tǒng)光纖性質(zhì)相比，PCF獨特性質(zhì)，包括沿光纖軸向無限延伸的周期性分布的微氣孔結(jié)構，使其具有靈活的結(jié)構布局，無截止單模、高非線性、高雙折射、大模場尺寸、易填充工作物質(zhì)、低傳輸損耗、色散可控等特性。近年來SPR被引入PCF中，成為研究的熱點。

表面等離子體共振(surface plasmon resonance,SPR)原理：當入射光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，當入射角大于全反射角時，會發(fā)生全反射現(xiàn)象，全反射時產(chǎn)生的倏逝波進入金屬薄膜，并與金屬薄膜的自由電子相互作用，激發(fā)出沿金屬薄膜表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體波(SPW)。當入射波長滿足一定值時，入射光的大部分能量會轉(zhuǎn)換成SPW的能量，從而使反射光的能量急劇下降，在反射譜上出現(xiàn)共振吸收峰，此時的入射波長稱為SPR的共振波長。本發(fā)明利用SPR效應，通過準確測量未知溶液產(chǎn)生共振波長的變化，就能得到金屬薄膜表面未知溶液折射率的變化，來實現(xiàn)傳感檢測。由于共振波長對未知溶液折射率變化特別靈敏，所以SPR傳感器能夠“實時”檢測和很高靈敏度的折射率測量。光子晶體光纖表面等離子體光纖傳感器因其在對各種生物和化學物質(zhì)檢測的領域具有高靈敏度，在生物醫(yī)療及生命安全領域具有重要應用，而成為近年來世界各國科研小組研究的熱點。

近年來對PCF-SPR折射率傳感器的研究越來越多，特別是D型光纖，使用金薄膜作為等離子材料也被普遍使用。本設計基于研究背景提出一種D型的PCF-SPR傳感器，由于金膜與基地材料二氧化硅的粘附問題，提出在基地材料和金薄膜之間添加一種二氧化鈦材料Tio₂。為了獲得更高的靈敏的，本設計在空氣孔的排布和大小做了設計，由三個環(huán)六角形排布的空氣孔組成，纖芯正交方向的空氣孔尺寸不同，可以得到雙折射效應。該設計因其結(jié)構特殊，對外界環(huán)境變化非常敏感，傳感區(qū)域在光纖外部，所以高靈敏度低損耗的TiO₂-Au涂覆的PCF-SPR傳感器在眾多領域應用的更佳廣泛。

PCF-SPR傳感器具有結(jié)構緊湊、靈敏度高、易于遠程控制和抗磁干擾等能力，紛紛被人報道，包括折射率傳感器，磁場傳感器，溫度傳感器和壓力傳感器等。2017年，Rifat,A.A等人提出一種D型光子晶體光纖折射率傳感器，二氧化鈦和金薄膜作為等離子材料，在折射率范圍1.33-1.43范圍內(nèi)，波長靈敏度達到9800nm/RIU，最大損耗峰值為23.18dB/cm。2018年，Paul,A.K等人提出的雙芯光子晶體光纖折射率傳感器，金作為等離子材料，在折射率范圍1.33-1.40內(nèi)，波長靈敏度達到9000nm/RIU，最大損耗峰值為65dB/cm。2019年，W.S等人設計了一種對稱側(cè)拋型雙芯光子晶體光纖折射率傳感器，在折射率范圍1.3-1.42內(nèi)，最大靈敏度達到8000nm/RIU，最大損耗峰值為248.9dB/cm。