[发明专利]一种微结构光纤表面等离子体共振传感器

说明书

技术领域

本发明涉及表面等离子体共振传感器的设计技术领域，具体涉及利用环形孔微结构光纤的纤芯基模与表面等离子体模共振原理测量液体折射率，提高传感器测量精度。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)传感器在化学、生物、环境与医药等领域具有重要应用，近年来，为了实现长距离的实时检测和系统微型化，光纤SPR传感器得到了广泛重视和研究，目前，基于普通单模光纤的SPR传感器还面临两个主要困难，第一是纤芯基模与表面等离子体模的相位匹配问题，也就是在运转波长处要实现两种模式的有效折射率实部相等，一般只有在高频处，两种模式的有效折射率才满足相位匹配条件，但这种情况限制了表面等离子体模透入分析液的深度，降低了传感灵敏度；第二个问题是基于普通光纤的SPR传感器封装困难，设计过程复杂，增加了设计成本。微结构光纤的结构特点为SPR传感器设计提供了新思路，微结构光纤SPR传感器的优点有：可在孔内镀金属膜和填充分析液，便于SPR传感器封装；结构设计灵活，易于相位匹配。目前，有人提出了一种基于蜂窝状光子带隙结构的SPR传感器[ B. Gauvreau, et al, “Photonic bandgap fiber-based Surface Plasmon Resonance sensors,” Opt. Express 15, 11413–11426(2007)]，在纤芯内引入小空气孔降低来纤芯基模的有效折射率，实现了纤芯基模与表面等离子体模的共振耦合，当微流体流经镀膜的包层孔时，微流体折射率值的变化引起透射光损耗峰的变化，从而实现微流体折射率的实时检测，运转波长在1000nm附近，光谱灵敏度为1.375·10⁴nm·RIU^?1。但这种结构的纤芯基模是类高斯模式，场强分布中心存在凹陷，增加了与普通高斯光源的耦合难度；还有人提出了一种基于三孔光子晶体光纤的SPR传感器[M. Hautakorpi, et al., “Surface-plasmon-resonance sensor based on three-hole microstructured optical fiber,” Opt. Express 16, 8427–8432(2008).]，这种结构的有效纤芯直径小于1.1μm，在可见光区域支持高斯模式的单模运转，实现了模式相位匹配，并且液体填充孔的尺寸较大，便于液体填充，光谱灵敏度可达1.0·10³nm·RIU^?1，由于运转波长在可见光区域，光谱灵敏度不是太高；人们还提出了一种H型光纤SPR传感器，这种结构将一种具有高折射率的介质层镀在金属层上，实现了纤芯基模与表面等离子体模的相位匹配[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)]，纤芯基模保持高斯模式，运转波长在C波段，光谱灵敏度可达5.0·10³ nm·RIU^?1，其结构是开放型结构，优化了实时传感响应时间，但存在封装难度。

发明内容

本发明的目的是提出一种实现纤芯基模低损耗传输、灵敏度高，易于与普通高斯光源耦合的微结构光纤SPR传感器。

本发明的技术方案是：一种微结构光纤表面等离子体共振传感器，包括纤芯和包层，所述包层为三层同心的环形包层，内层环形包层由扇环形支撑臂和介于所述扇环形支撑臂间的内层空气孔组成，外层环形包层由矩形支撑臂和介于所述矩形支撑臂间的外层液体孔组成，中层环形包层连接所述扇形支撑臂和矩形支撑臂；所述扇环形支撑臂与矩形支撑臂数量均为N，且传感器具有360/N^o旋转对称性；所述内层空气孔填充空气，所述外层液体孔填充分析液，所述纤芯材料和包层材料相同。

进一步，所述外层液体孔靠近纤芯的内壁上镀一层金属薄膜。

进一步，所述扇环形支撑臂对应的圆心角角度                                                小于22^ｏ。

进一步，所述内层环形包层的外半径R₁小于3.2μm。

进一步，所述扇环形支撑臂和矩形支撑臂的数量N为3、4、5或8个。