[发明专利]三角形气孔的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法

说明书

本发明专利提供了三角形气孔的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法，由宽带光源、偏振器、流通池、D型光子晶体光纤、单模光纤、光谱分析仪和计算机组成；光纤折射率传感器位于流通池内，流通池内有控制液体分析物的入口和出口；D型光子晶体光纤侧面抛光表面涂覆银掺杂氧化锌薄膜，与D型光子晶体光纤熔接的单模光纤、涂覆银掺杂氧化锌薄膜的D型光子晶体光纤一起构成所述三角形气孔的D型光子晶体光纤折射率传感装置的探头。利用SPR传感机制，将液体分析物折射率RI的微小变化转换成可测量的损耗峰的变化，实现折射率传感，具有灵敏度高、设计灵活、结构紧凑、稳定性强等优点，在生化分析物检测、水污染监控中具有广泛的应用价值。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及三角形气孔的D型光子晶体光纤折射率传感器装置及方法。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)存在于金属和介质(或空气)之间，利用全反射倏逝波激发表面等离子体极化激元(SPP)。SPR传感技术因其灵敏度高、无背景干扰、样品无标签、无需进一步纯化、实时快速检测等特点，已经成为监测分析物的折射率、过滤特定频率的光和检测纳米生物膜的形成的多功能工具。近年来，基于光子晶体光纤(PCF)的SPR传感器的概念已被提出。光子晶体光纤的特点是其设计的灵活性，因此可以通过不同的气孔布置来定制色散、双折射、非线性等。这些方面使得光子晶体光纤在许多领域特别引人注目，并在基于气体的非线性光学、原子和粒子制导、超高非线性、掺稀土激光和传感等领域有广泛的应用。PCF-SPR传感器可以实现等离子体模式和基模模式的完美匹配，因为基模的有效折射率可以设计为零到核心材料的折射率之间，在折射率检测方面具有很高的灵敏度和分辨率。克服了基于棱镜和传统光纤的SPR传感器体积大、传输损耗高、灵敏度低的缺点。

侧边抛磨光子晶体光纤是利用光纤研磨抛光技术除去部分包层的光纤元件，既能保持传统光纤的优势，又能使光纤内传导模式通过抛磨区泄露出来用以其他的应用，例如利用倏逝波应用于传感器领域等。J.J.Wu等人(J.J.Wu,S.G.Li,M.Shi,X.X.Feng,Photoniccrystal fiber temperature sensor with high sensitivitybased on surfaceplasmon resonance,Optical Fiber Technology,2018,43:90-94)提出一种基于SPR的PCF温度传感器，采用金属金作为SPR激发材料，固体纤芯下方的四个小气孔和一个大气孔用于产生双折射，测量温度范围为10-85℃(折射率范围为1.336-1.3696)；N.Chen等人(N.Chen,M.Chang,X.L.Lu,J.Zhou andX.D.Zhang,Numerical Analysis ofMidinfrared D-ShapedPhotonic-Crystal-Fiber Sensor based on Surface-Plasmon-Resonance Effectfor Environmental Monitoring,Applied Sciences,2020,10(11):3897)提出一种工作在近红外波段(2.9-3.6μm)、用于环境监测的基于SPR效应的D型PCF折射率传感器，分析物与金层直接接触，而且环绕整个D型PCF，而不是只接触抛光面，包层材料是硅，包层中的三层气孔按照六边形晶格排列；M.N.Sakib等人(M.N.Sakib,M.B.Hossain,K.F.Al-tabatabaie,I.M.Mehedi,M.T.Hasan,M.A.Hossain,I.S.Amiri,High Performance Dual Core D-ShapePCF-SPR Sensor Modeling Employing Gold Coat,Results inphysics,2019,15:102788)提出采用金涂层、固体双芯的D型PCF-SPR传感器，分析物折射率范围为1.45-1.48，两个固体纤芯与y轴对称，双芯能量与金属层能量耦合较困难，适用的探测范围较窄；S.Singh等人(S.Singh,Y.K.Prajapati,Highly sensitive refractive index sensor based on D-shaped PCF with gold-graphene layers on the polished surface,Applied PhysicsA,2019,125:437)提出一种在抛光表面涂有金和石墨烯层的D型PCF折射率传感器，在固体纤芯x方向放置两个大空气孔，研究x方向偏振光发生耦合时的限制损耗谱；A.A.Rifat等人(A.A.Rifat,G.A.Mahdiraji,D.M.Chow,Y.G.Shee,R.Ahmed and F.R.M.Adikan,PhotonicCrystal Fiber-Based Surface Plasmon Resonance Sensor with Selective AnalyteChannels and Graphene-Silver Deposited Core,Sensors,2015,15(5):11499-11510)提出一种D型光子晶体光纤SPR折射率传感器，采用银作为SPR激发材料，在探测范围1.46-1.49内的最大波长灵敏度为3000nm/RIU，该传感器不仅探测范围较窄，而且不能满足高灵敏度的要求。