[发明专利]基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器

说明书

本发明公开了一种基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，包括金属薄膜以及开设在金属薄膜上的周期开口圆环狭缝阵列结构。单个周期结构由左右两个开口圆环狭缝构成，内外半径相同但圆心角不同的两个开口圆环狭缝水平位于单元中心左右两侧。本发明的传感器结构在近红外频段内具有高品质因数高透射率的双透射峰特性，利用该特性可进一步提高传感器灵敏度，并且可使传感器工作在两个不同的频段。同时，通过修改相关结构参数可以达到调整双透射峰频谱位置的目的，从而可以实现工作频段宽、适用范围广、灵敏度高、易于加工的等离子光纤传感器。

(一)技术领域

本发明涉及微纳光电子技术领域，属于光纤传感领域，尤其是涉及到基于表面等离子体共振(SPR)的光纤传感技术，具体涉及一种基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器。

(二)背景技术

表面等离激元是在金属-电介质表面上存在的一种特殊的电磁波模式，是在入射光的激发下金属表面的自由电子发生集体振荡所产生的。这种特殊的电磁波沿着金属表面的方向传播，并在垂直于金属表面的方向上呈指数衰减，由于其独特的表面波特性，它能够将光波约束在空间尺寸远小于其自由空间波长的区域。表面等离激元对界面附近折射率变化十分敏感的特性为人们提供了高精度折射率传感的新模式。

光学异常透射特性表现为当光入射到具有亚波长周期孔阵列的金属薄膜时，光的透射效率得到了极大的增强，突破了传统孔径衍射理论的限制。关于此方面的研究得到了广泛的关注，并在许多方面显现出极其广阔的应用前景，比如生物传感、光学滤波器、纳米光刻、新型光源和光学存储等，并由此产生了一些与表面等离子激元相关的光学器件。

研究发现通过改变孔阵列结构的周期、金膜厚度、孔的形状、金属材料等参数，可以有效调节透射峰的位置，以及透射率的大小。随着科技的不断发展，传感器在生物、化学、医疗、食品等领域有着广泛的应用。但传统的传感器由于受体积、稳定性及精确度等性能的限制，不能很好的满足实际需求，而基于光纤的等离子光学传感器因其体积小、灵敏度高、可靠性好、易于集成等一系列的优点，引起了越来越多人的关注。但现有基于光纤的等离子光学传感器一般只有一个单透射峰，这就导致其应用范围有限以及测量精度不高等问题。

(三)发明内容

本发明所要解决的是现有基于光纤的等离子光学传感器只有单个透射峰，而导致其应用范围有限以及测量精度不高的问题，提供一种基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于非对称开口圆环结构的双透射峰等离子光纤传感器，包括光纤以及设置在光纤端面上的传感体，所述传感体由金属膜和多个非对称开口圆环狭缝单元组成；单个非对称结构包括左、右两个圆心重叠但开口角度不同的开口圆环构成；左、右两个开口圆环的内外半径相同；左、右两个开口圆环沿竖直方向不对称，沿X轴对称；这些狭缝结构单元贯通开设在金属膜上，并在金属膜上呈周期性排布；待测介质填充在狭缝结构单元内；平面光经光纤入射到端面的金膜上，透射谱中的透射峰便包含传感信息。

上述方案中，所有开口圆环单元完全一致。

上述方案中，所有开口圆环内外半径完全一致。

上述方案中，所有开口圆环结构单元在金属膜上呈矩阵式周期性排列。

上述方案中，金属膜的尺寸与光纤端面的尺寸大小完全一致。

上述方案中，金属膜的材料为金。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、通过多狭缝的相互耦合，本发明所提出的传感器具有高品质因数的双透射峰频谱，基于其双透射峰特性，根据双透射峰对不同折射率的敏感度不同，可使单个传感器测量不同折射率范围的介质，大大提高了传感器的测量范围，提高了传感器利用率。