[发明专利]一种近红外波段双D型光子晶体光纤SPR传感器

说明书

一种基于表面等离子体共振的双D型结构光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤、空气孔和纳米金膜，二氧化硅内部边缘排布有空气孔，两根光子晶体光纤平行对称分布，光子晶体光纤均采用侧抛成D型状，侧抛表面涂覆纳米金膜，其中侧抛面中间处空气孔为半圆，空气孔及其邻域构成光子晶体光纤纤芯，即空气孔围成的区域构成光子晶体光纤纤芯。该传感器利用两根平行的D型光纤实现耦合，可以有效提高传感器的灵敏度，是一种实用的折射率传感器。

(一)技术领域

本发明涉及一种近红外波段双D型光子晶体光纤表面等离子体共振传感器

(二)背景技术

近年来，光子晶体光纤表面等离子体共振(PCF-SPR)传感器凭借其优异的传感性能在生命科学、药物筛选、分子识别以及免疫测定等领域表现出来巨大的应用潜力，因而受到科研工作者的广泛关注。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers,PCFs)又叫微结构光纤，它的概念最早是在1992年由STJ.Rusell等人提出的，它是在石英光纤上规则地排列空气孔并在光纤的纤芯引入破坏包层周期性的缺陷结构，这个缺陷可以是大的空气孔或实心的石英。第一个PCF样品于1996年在英国Bath大学被Russell等人研制出。

表面等离子体(Surface Plasmons，SPs)是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子倏逝波。1902年，Wood在观察金属衍射光栅时发现，在正常的衍射角分布谱中发现了新的衍射峰，SPR现象首次被发现。1909年，A.Sommerfeld从Maxwell电磁理论出发，引入复介电常数的概念，推导了表面等离子体波的表达式。1941年，Fano等人根据金属一空气界面产生了电磁波从而解释了SPR现象。1957年，Ritchie利用较高能量的电子轰击金属薄片，在这个实验过程中发现能量在等离子体频率处有能量的损失，并且他认为能量损失与金属界面有关。1960年，E.A.Stren在研究SPR现象出现条件时，首次提出了表面等离子体的概念。1982年，C.Nylander等人首次在化学领域利用SPR进行气体检测。从此，SPR传感器成为了研究的热点。为了能利用SPR进行测量，需要使用一些特殊的器件来实现SPR。

光子晶体光纤传感器因其自身独特的优势而具有远程实时检测，体积小，易于集成化，灵敏度高，设计灵活等特点，吸引着优秀的科研人员投入了很多精力和资源对其进行研究。将光子晶体光纤的微结构设计与表面等离子体共振的高灵敏度技术相结合，具有实时监测、无需标记、干扰小的优点。光子晶体光纤替代普通光纤用作传感器可以解决相位匹配问题。

光子晶体光纤传感器不需要额外的耦合装置，能够通过空气孔的排列设计有效的解决相位匹配的问题，实现纤芯模式与表面等离子模式的模式耦合，将待测物质折射率的变化转化成吸收峰的偏移变化，实现传感测量。

为了提高传感灵敏度，一种策略是通过优化结构来提高核心导模和等离子体模之间的耦合效率。耦合效应包括相邻多电浆子传感器之间的相互作用，该效应已应用于双平行光纤。然而，在双平行D形PCF-SPR传感器的研制方面却鲜有进展。

在以往对PCF-SPR的研究中，大多只研究纤芯导模与表面等离子体模之间的耦合，很少涉及这两种模式以外的模式耦合，如渗透到待测溶液中的模式与表面等离子体模之间的耦合问题，多芯光纤中各个纤芯之间的导模耦合(模间干扰)问题等等。这些问题对于共振强度的大小，共振波长的变化以及光谱次峰的产生等都有着或多或少的影响。研究清楚这些模式耦合问题，有助于进一步优化传感器性能。

(三)发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于表面等离子体共振的双对称D型结构光子晶体光纤传感器，利用纤芯导模与表面等离子体模之间的耦合和两个纤芯之间的导模耦合，结合两种模式的模式耦合实现高灵敏度的传感检测。