[发明专利]基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器

说明书

本发明公开了一种基于磁光效应的D型光子晶体光纤多参量SPR传感器。所述D型光子晶体光纤传感器包括具有平面壁和曲面侧壁的多模光子晶体光纤，其横截面呈D形，在所述D型侧面上具有传感层，纤芯右侧对称的空气孔填充有温敏介质，纤芯下方空气孔填充有磁光介质。本发明在D形光子晶体光纤侧抛表面镀有一层金薄膜，作为传感层，实现高灵敏度的SPR折射率传感器，温敏介质由甲苯构成，实现温度传感，磁光介质由Fe₃O₄构成，实现磁场传感。本发明的优点是：克服了传统光纤传感器传感参数单一的不足，实现了温度、磁场、折射率三参量的实时测量。另外D型结构的设计减小了传感层与纤芯的距离，有利于与样品的强相互作用，进而实现了高达57900nm/RIU的超高传感灵敏度。该传感器设计新颖，体积小，集成度高，在未来实现光电子集成器件及多功能传感检测领域具有重要的应用前景。

(一)技术领域

本发明涉及光子晶体光纤和表面等离子体共振传感技术，具体涉及到一种利用混合传感机制的高灵敏度光子晶体光纤磁场、温度和折射率三参量传感器。

(二)背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是发生在电介质和金属界面的一种物理光学现象。当光入射到这两种材料的界面，发生全内反射时会产生倏逝波，进而导致金属表面自由电子发生相干振荡，产生表面等离子体共振。对于SPR现象的研究，最早可以追溯到100多年以前。Wood等人在1902年的研究中发现光波在金属衍射光栅中传播时，光波的能量会减少，这是人们第一次发现SPR现象。直到1941年，Fano从金属和空气交界面的上表面会激发出电磁波这一角度出发，解释了SPR现象。1957年，R.H.Ritchie发现高能电子在金属薄膜中传播时，除了在等离子体处会发生能量损失现象外，在低频处也会有能量损失，因此他指出这可能与金属薄膜的界面存在一定的关系，并预言存在表面等离子体。两年后C.J.Powell和J.B.Swan在实验中观察到表面等离子体激元共振的现象，从而证明了R.H.Ritchie的理论。德国物理学家Otto在1968年设计了一种以棱镜为耦合器件的Otto模型，并且指出了SPR现象的激发实际上是一种全反射现象。1970年，Kretschmann通过在棱镜的底部直接镀上金属薄膜，也激发了SPR效应。这两种模型的提出为SPR传感器的发展和应用提供了坚实的基础。

当引入外加磁场时，一般具有固定磁矩物质的磁化方向、磁化强度、磁导率甚至是与光学性质有关的介电常数等物理参量将会发生变化，从而使得光波与磁化后物质相互作用时的传输特性(传播方向、偏振方向、频率、相位、透射率、反射率或者散射特性等)发生变化，这种利用物质磁化而引起的光波状态的变化称为磁光效应(Magnetooptical Effect,MO)。有些物质如抗磁性物质，其内部的原子或离子没有固有磁矩，但当物质处于外磁场中时电子轨道会产生附加的拉莫进动，这种进动也会引起相应的角动量和磁矩的变化从而产生微弱的磁光效应。

模式耦合(Coupled Mode)指的是当两束光波导相距较近，一束光在其中一个光波导中传输时，会沿着光波传输的方向周期性的耦合到另一个光波导中传输的现象。当两束波导的有效折射率相等或相近时,发生共振耦合效应。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)是基于光子带隙理论发展起来的一种新型光纤，又称为多孔光纤或微结构光纤，最初是在20世纪90年代初由英国的St.Russell提到。PCF是通过在纯石英材料上沿轴向方向周期性排列二维的孔洞或者掺杂物质构成的。它通过这些空气孔对光束进行限制，从而达到光沿着轴向进行传输的目的。和传统的光纤相比，由于其独特的光学特性，光子晶体光纤引起极大的关注并且成为近几年来光学的研究热点。在光纤滤波、光纤传感、光开关、光纤激光器、偏振器和超宽色散补偿等研究领域得到了极大的应用。