一种基于D型双金属涂层的双折射PCF折射率传感器

摘要

本发明设计了一种基于D型TiO2‑Au涂覆的双折射光子晶体光纤折射率传感器，该传感器由一段包层区域抛磨掉部分形成的D型PCF、二氧化钛和金薄膜组成。本发明利用SPR效应，通过准确测量共振波长的变化，就能计算出金薄膜表面未知溶液折射率的变化，来实现传感检测。本发明的优点：PCF结构的D型设计和空气孔的不对称排布使得纤芯产生的倏逝波向包层泄露更多，PCF‑SPR效应更强烈。为了解决金与基地材料的粘附问题，在基地与金薄膜之间涂覆一层二氧化钛材料，二种等离子体激发材料。纤芯方向空气孔的不对称性产生双折射，增强金薄膜表面SPR现象，提高传感器的测量折射的灵敏度和测量精度。该传感器结构紧凑，能够实时检测，灵敏度高，损耗低，具有良好的传感特性。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种基于D型双金属涂层的双折射光子晶体光纤(photonic crystalfiber,PCF)折射率传感器，属于特种光纤、光纤传感领域。

(二)背景技术

光纤传感的核心使命是获取信息，在信息获取和信息传输领域发挥着不可替代的作用。光子晶体光纤(PCF)是一种新型类型的光纤，特征是在包层区域有许多平行于光纤轴向的微孔，包层中的空气孔阵列降低了包层的有效折射率，从而满足“全反射”条件，光被束缚在芯区内传输，这种导光机制与传统光纤类似，被称为“改进的”全反射原理。与传统光纤性质相比，PCF独特性质，包括沿光纤轴向无限延伸的周期性分布的微气孔结构，使其具有灵活的结构布局，无截止单模、高非线性、高双折射、大模场尺寸、易填充工作物质、低传输损耗、色散可控等特性。近年来SPR被引入PCF中，成为研究的热点。

表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)原理：当入射光从光密介质入射到光疏介质，当入射角大于全反射角时，会发生全反射现象，全反射时产生的倏逝波进入金属薄膜，并与金属薄膜的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波(SPW)。当入射波长满足一定值时，入射光的大部分能量会转换成SPW的能量，从而使反射光的能量急剧下降，在反射谱上出现共振吸收峰，此时的入射波长称为SPR的共振波长。本发明利用SPR效应，通过准确测量未知溶液产生共振波长的变化，就能得到金属薄膜表面未知溶液折射率的变化，来实现传感检测。由于共振波长对未知溶液折射率变化特别灵敏，所以SPR传感器能够“实时”检测和很高灵敏度的折射率测量。光子晶体光纤表面等离子体光纤传感器因其在对各种生物和化学物质检测的领域具有高灵敏度，在生物医疗及生命安全领域具有重要应用，而成为近年来世界各国科研小组研究的热点。

近年来对PCF-SPR折射率传感器的研究越来越多，特别是D型光纤，使用金薄膜作为等离子材料也被普遍使用。本设计基于研究背景提出一种D型的PCF-SPR传感器，由于金膜与基地材料二氧化硅的粘附问题，提出在基地材料和金薄膜之间添加一种二氧化钛材料Tio

PCF-SPR传感器具有结构紧凑、灵敏度高、易于远程控制和抗磁干扰等能力，纷纷被人报道，包括折射率传感器，磁场传感器，温度传感器和压力传感器等。2017年，Rifat,A.A等人提出一种D型光子晶体光纤折射率传感器，二氧化钛和金薄膜作为等离子材料，在折射率范围1.33-1.43范围内，波长灵敏度达到9800nm/RIU，最大损耗峰值为23.18dB/cm。2018年，Paul,A.K等人提出的双芯光子晶体光纤折射率传感器，金作为等离子材料，在折射率范围1.33-1.40内，波长灵敏度达到9000nm/RIU，最大损耗峰值为65dB/cm。2019年，W.S等人设计了一种对称侧抛型双芯光子晶体光纤折射率传感器，在折射率范围1.3-1.42内，最大灵敏度达到8000nm/RIU，最大损耗峰值为248.9dB/cm。

本文设计了一种新的结构，对折射率的测量具有更高的灵敏度。设计一种D型Au-Tio

基于双折射的高灵敏度折射率传感器研究有重要的意义，PCF结构的D型设计和空气孔的不对称排布使得纤芯产生的倏逝波向包层泄露更多，PCF-SPR效应更强烈。在金薄膜和基底材料之间沉积一定厚度的Tio

(三)发明内容

针对上述问题，本发明主要是提供一种结构简单工艺易于实现，稳定性好、分辨率高的折射率传感器。

本发明通过以下技术方案实现的：

D型TiO

近一步地，所述D型PCF的大空气孔直径D＝10um，小空气孔直径d＝0.42∧，空气孔的间距∧＝8um，所述D型Au-Tio2涂层PCF的轴向延伸的平滑表面到其纤芯的距离为抛磨深度H＝11um，二氧化钛的厚度t

近一步地，在PCF折射率传感器的传感区域外加载未知溶液，由于SPR效应对未知溶液折射率变化十分敏感，当金薄膜表面未知溶液折射率发生微小变化时，损耗吸收峰对应波长位置会发生改变，我们通过测量对应共振波长位置的偏移量解调出未知溶液折射率的变化，计算出在低折射率范围内的灵敏度。

本文设计的D型双折射PCF折射率传感器结构简单，避免了孔内镀膜的复杂工艺，PCF结构的纤芯正交方向设计大小不同的空气孔结构形成双折射，D型设计增强了纤芯产生的倏逝波向包层区域泄露。使用TiO

(四)附图说明

图1为本发明的二维截面示意图。

图2为本发明大空气孔直径变化时的损耗普曲线图。

图3为本发明在折射率n＝1.40～1.41，随着二氧化钛厚度

图4本发明的金薄膜厚度变化时的损耗谱曲线图。

图5为本发明不同折射率随波长变化的曲线图。

图6为本发明的振幅灵敏度随波长变化的曲线图。

图中标号为：(1)、D型光子晶体光纤，(2)、空气孔，(3)、二氧化钛TiO

(五)具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明是基于一种D型Au-Tio2涂层双折射光子晶体光纤传感器，如图1所示，采用纤芯包层结构，材料是二氧化硅，该传感器由一段包层区域抛磨掉部分形成的D型PCF(1)、二氧化钛(3)、金薄膜(4)和未知溶液(5)组成。通过侧边抛磨技术在PCF包层区域抛磨，抛磨深度H＝11um，形成一个抛磨面，H是抛磨面上距离纤芯的距离。在抛磨面上沉积一层二氧化钛厚度t

上述基于D型双折射PCF折射率传感器制备过程：用堆积拉制光纤技术制备光子晶体光纤，使用侧边抛磨技术把一段光子晶体光纤的包层区域抛磨一定深度，形成的抛磨面距离纤芯的距离为H＝11um。

在金薄膜和基底材料之间使用一层二氧化钛减少金的粘附问题并提高灵敏度，还有助于SPR的激发。二氧化钛的介电常数可以通过以下公式计算：

其中，

金作为常用的等离子体材料，其相对介电常数ε

ε

在本发明实例中，PCF结构D型设计增强纤芯产生的倏逝波向包层泄露更多，纤芯正交方向设计大小不同的空气孔结构形成双折射，在抛磨面上沉积一层Au-TiO

通过改变大空气孔的直径、二氧化钛厚度，金膜厚度、外界待测介质折射率等结构参数，共振吸收峰的位置会发生变化；通过改变未知溶液的折射率检测共振吸收峰的偏移量，可以解调出该传感器此时的灵敏度，达到实时监测的功能；通过合理的优化结构参数，能得到一个最佳的灵敏度。

计算灵敏度的公式为：

其中Δλ为共振吸收峰波长改变量，Δn为外界待测介质折射率的改变量。

计算振幅灵敏度的公示为：

其中α(λ,n)是未知溶液折射率等于n时的总损耗，

采用波长调制法，波长的变化范围为650-1250nm，利用基于全矢量有限元法(FEM)对上述所设计的实验模型进行数值仿真，在各向异性完美匹配层(PML)边界条件的配合下，求解模场的有效折射率，然后根据模场损耗公式α(dB/cm)＝8.686×k

在折射率1.41的条件下，随着大空气孔直径D的变化，传感器的耦合损耗峰值随波长的变化如图2所示。当大空气孔直径D从4um增加到10um，损耗峰的值从1.39dB/cm增加到5.49dB/cm。原因是增大空气孔直径D，与空气孔d的差值越大，光纤结构双折射效应越强，纤芯的光向包层泄露的倏逝波越多，激发等离子体材料产生的SPR效应越强，如图中D＝10um时损耗峰值最大。

在折射率1.40-1.41，随着二氧化钛厚度

在折射率1.40-1.41，

固定其他参数，改变未知溶液折射率，损耗峰值随波长的变化如图5所示。在折射率范围1.37-1.42，随着未知溶液折射率的增加，吸收共振峰的峰值发生红移。当折射n从1.37变化到1.38、1.39、1.40、1.41和1.42时，损耗峰的峰值偏移量分别为32、48、64、92和160nm。灵敏度分别为3200、4800、6400、9200和16000nm/RIU。使用折射率公式计算得到，在折射率范围(n＝1.37-1.42)内，最大波长灵敏度为16000nm/RIU，平均灵敏度为7920nm/RIU。使用分辨率0.1nm的高精度光谱仪，测得传感器的最小分辨率为6.25×10

图6显示了D型Au-TiO

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。