[发明专利]基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器

说明书

本发明公开了一种基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，包括光子晶体光纤，光子晶体光纤的一端与单模光纤连接，另一端上镀有反射层，光子晶体光纤镀有反射层的一端与待测样品接触；光子晶体光纤的外表面上镀有金属薄膜层；光子晶体光纤内设有若干空气孔，空气孔贯穿所述光子晶体光纤的两端面；空气孔在光子晶体光纤内呈正六边形周期排列，由光子晶体光纤的中心向外多层设置，中心水平方向上的空气孔孔径小于其他空气孔孔径。利用在PCF的外表面上镀金属薄膜银，利用SPR效应作为折射率传感机制，并通过减小中心水平方向上的气孔直径可保证该镀膜方式的传感器的性能。在PCF的外表面上镀金属薄膜银，也降低了制作工艺的难度。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器。

背景技术

光学折射率传感器是光学、电磁学和微电子学等多个学科交叉结合的产物，目前在生化物理、分子检测、医药开发、食品安全以及环境监测等多个领域得到广泛的应用，通过测量待测物的折射率可以间接实现包括样品成份、浓度和生物分子相互作用及动态变化过程等多种信息的检测；而光子晶体光纤在结构制造上具有可控性、传感设计上具有多样性和灵活性，因此基于光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)的传感器具有一定良好的性能。

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种存在于金属和电介质界面的物理光学现象：入射到金属-电介质界面的满足特定条件的电磁波将与金属表面自由振动电子与光子耦合形成的表面等离子波(surface plasmon wave，SPW)发生共振耦合，从而电磁波能量被强烈吸收。

基于PCF的SPR传感器通过灵活的结构设计来实现纤芯导模和激发的SPW模式的波矢匹配条件，采用PCF的纤芯作为光能量的传输载体，可采用金属薄膜镀层包覆在PCF包层的气孔内或包层外层用来激发SPR。金属膜银镀在孔内的传感器可分为D型PCF-SPR传感器、开槽PCF-SPR传感器等。上述传感器类型虽然具有较高的灵敏度，但是都需要将金属薄膜镀在空气孔内，制作工艺上具有一定的困难。而将金属膜镀在PCF包层外层的D型PCF-SPR传感器则需要将PCF的一侧进行抛光打磨，这对工艺也有一定要求，且传感器灵敏度也有待提高。

发明内容

本发明提供了一种基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，解决了折射率传感器存在的制作工艺难度高、灵敏度不高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于表面等离子体共振的探针式折射率传感器，其特征在于，包括光子晶体光纤与单模光纤组成的传感探针，传感探针置于待测样品中，光子晶体光纤的一端与单模光纤连接，另一端上镀有反射层，光子晶体光纤镀有反射层的一端与待测样品接触；；所述光子晶体光纤的外表面上镀有金属薄膜层；所述光子晶体光纤内设有若干空气孔，空气孔贯穿所述光子晶体光纤的两端面；所述空气孔在所述光子晶体光纤内呈正六边形周期排列，由所述光子晶体光纤的中心向外多层设置，中心水平方向上的空气孔孔径小于其他空气孔孔径。

进一步地，所述光子晶体光纤的一端与所述单模光纤通过锥形熔接。

进一步地，所述金属薄膜层为镀膜银。

进一步地，所述镀膜银的厚度为30.0nm～50.0nm。起到了使倏逝波能够穿透镀膜银到达待测液体界面处，倏逝波与表面等离子体波的相互作用，激发倏逝场能量、形成表面等离子体模式的作用。

进一步地，所述光子晶体光纤的基底材料为石英。在实际应用中SiO₂具有更加稳定的物理性质。

进一步地，所述反射层为金属层。

进一步地，所述待测液体的折射率为1.39～1.42。满足绝大多数低折射率物质检测范围。

进一步地，所述中心水平方向上的空气孔孔径范围为0.4～0.6μm。