[發(fā)明專利]基于金膜包覆的三芯光子晶體光纖SPR傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110493537.6
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN113252604B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 秦亞飛;楊友朋;王冬;盧鑫雨;曾雨
• 申請（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 昆明同聚專利代理有限公司 53214
• 代理人: 蘇蕓蕓

本發(fā)明公開了一種基于金膜包覆的三芯光子晶體光纖SPR傳感器，其包括金膜、纖芯、小氣孔Ⅰ、小氣孔Ⅱ、大氣孔、包層，金膜設(shè)置在包層外側(cè)，在包層中心處設(shè)置有小氣孔Ⅱ，小氣孔Ⅱ外側(cè)設(shè)置有內(nèi)層空氣孔，內(nèi)層空氣孔是呈正三角形排列的小氣孔Ⅰ，外層空氣孔是由小氣孔Ⅰ、大氣孔呈正六邊形排列而成且大氣孔位于小氣孔Ⅰ之間，同時在包層中形成3個實(shí)心纖芯，3個纖芯共用小氣孔Ⅱ；本發(fā)明三芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計提高了傳感器的檢測范圍；金膜的使用即能更好的激發(fā)SPR現(xiàn)象，又能提高傳感器的靈敏度和分辨率；該傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，體積小，檢測范圍廣，抗腐蝕能力強(qiáng)，靈敏度及分辨率高，是一種實(shí)用的傳感器，具備商業(yè)化推廣的潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖SPR傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于金膜包覆的三芯光子晶體光纖SPR傳感器。

背景技術(shù)

表面等離子體共振(surface?plasmon?resonance，SPR)是指在一定的入射波長或入射角下，表面等離子體激元與倏逝波的頻率相等，入射光被強(qiáng)烈吸收，反射光或透射光的能量急劇下降，在探測光譜上產(chǎn)生相應(yīng)的共振吸收峰。金屬表面周圍的介質(zhì)折射率變化會改變共振吸收峰的位置，因此，可以將SPR技術(shù)應(yīng)用于藥物篩選，臨床診斷和環(huán)境檢測等領(lǐng)域。

利用SPR技術(shù)設(shè)計制造的傳感器具有高靈敏度、實(shí)時檢測和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)的SPR傳感器一般采用Kretschmann-raether結(jié)構(gòu)，但是，基于此種結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳感器體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測。為了解決上述問題，近幾十年來科研工作者將SPR技術(shù)與光子晶體光纖相結(jié)合，用于制作SPR傳感器，并展現(xiàn)了顯著的性能，擴(kuò)大了此類傳感器的應(yīng)用范圍。

基于光子晶體光纖的SPR傳感器的氣孔位置排列規(guī)則，可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境以及待測物進(jìn)行設(shè)計，2013年Zhang?Peipei等人提出了一種基于多芯光子晶體光纖的SPR傳感器，在1.41-1.42范圍內(nèi)，靈敏度為3300nm/RIU，相應(yīng)的分辨率為3.03×10^-5，但是，該傳感器將金膜濺射于光纖的內(nèi)部，增加了傳感器的制造難度。2015年Wang?Guangyao等人提出了一種基于表面等離子體共振的D形光子晶體光纖生物傳感器，在1.345-1.41范圍內(nèi)，最大靈敏度可達(dá)12450nm/RIU。2017年An?Guowei等人提出了一種基于表面等離子體共振的D形光子晶體光纖傳感器，在1.33-1.38范圍，最大靈敏度為10493nm/RIU，相應(yīng)的分辨率為9.53×10^-6RIU。上述D形光子晶體光纖需要對光纖表面進(jìn)行預(yù)拋光，對傳感器的制造提出了挑戰(zhàn)，且傳感器的靈敏度較低。2019年Fu?Haiwei等人提出了一種高靈敏度D型石墨烯銀納米柱表面等離子體共振光纖折射率傳感器，在1.33-1.39范圍內(nèi)，靈敏度可達(dá)8860.93nm/RIU。但該傳感器采用多層薄膜結(jié)構(gòu)，層與層之間的相互作用力以及制造過程中的濺射難度，都還沒有得到驗(yàn)證。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于金膜包覆的三芯光子晶體光纖SPR傳感器，通過改變氣孔的大小和位置以及金膜的厚度，提高傳感器的靈敏度。

本發(fā)明基于金膜包覆的三芯光子晶體光纖SPR傳感器包括金膜、纖芯、小氣孔Ⅰ、小氣孔Ⅱ、大氣孔、包層，金膜濺射在包層外側(cè)，在包層中心處設(shè)置有小氣孔Ⅱ，小氣孔Ⅱ外側(cè)設(shè)置有內(nèi)層空氣孔，內(nèi)層空氣孔是呈正三角形排列的小氣孔Ⅰ(即小氣孔Ⅰ呈120°分布在小氣孔Ⅱ周圍)，外層空氣孔是由小氣孔Ⅰ、大氣孔呈正六邊形排列而成，且大氣孔位于小氣孔Ⅰ之間，同時在包層中形成3個纖芯，即3個大氣孔、2個小氣孔Ⅰ、1個小氣孔Ⅱ圍成一個實(shí)心纖芯，3個纖芯共用小氣孔Ⅱ并呈120°分布。

所述小氣孔Ⅰ和大氣孔間的中心距為晶格常數(shù)Λ＝1.9-2.1μm。

所述小氣孔Ⅰ和小氣孔Ⅱ間的中心距為

所述大氣孔直徑為1μm；小氣孔Ⅰ的直徑為0.4-0.6μm，小氣孔Ⅱ的直徑為0.2-0.4μm，小氣孔Ⅱ直徑小于小氣孔Ⅰ直徑。