[实用新型]一种具有双层空气孔排布的光子晶体光纤传感器

说明书

本实用新型公开了一种具有双层空气孔排布的光子晶体光纤传感器，包括基底材料，包层空气孔，金纳米线及待测液体。基底材料为石英。空气孔布局为内、外两层，且呈相互倒置的五角形排布。外层孔径大于内层孔径；内层空气孔紧凑，主要用于限制光束在纤芯传输；外层空气孔分散，用来改变包层的相对折射率并调节光纤的属性；外层的第二空气孔是圆形或扇形，在其底部固定有金纳米线，用作表面等离子体共振效应发生的诱导材料。本实用新型所述光纤结构设计简单，在实施操作上，能够在保证高灵敏度、高分辨率的前提下，针对不同的实验条件灵活选取不同的实施案例，方便制备。

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域，尤其是一种具有双层空气孔排布的光子晶体光纤传感器。

背景技术

光纤中的表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)是一种显著的光学现象，它是由入射光激发金属与电介质界面处的传导电子而引起的共振振荡。这种效应起因于入射光形成的消逝场与金属表面的自由电子间的耦合作用，效应发生时将伴随表面等离子体波产生，同时伴随纤芯模式损耗的急剧增加。由于波在导体和电介质的边界处，这些振荡对边界附近的任何折射率变化都非常敏感，因而，表面等离子体共振是一种非常有前景的传感检测手段。

这种光学效应由于具有高灵敏度、实时和无标记监测等优点，目前已经被广泛研究并成功应用于医学诊断、环境监测、生物化学研究、溶液浓度和折射率测量等许多领域。如今，大多数商用SPR传感器都基于衰减全反射原理并采用棱镜结构。这些传感装置对光学和机械部件的可靠性要求都很高，同时由于机械结构的复杂性，这将大大增加测量和维护成本，并限制其应用范围。为了解决这个问题，Jorgenson于1993年提出并演示了第一个基于光纤的SPR传感器。近年来，科研工作者又反复尝试并成功将表面等离子体共振效应应用到了光子晶体光纤(Photonic crystal fibers，PCFs)中，用来进行光纤传感，并表现出了显著的性能。

折射率引导型光子晶体光纤，主要通过在包层中引入空气孔来调节其包层有效折射率与纤芯之间的折射率差，从而保证利用全内反射将光束缚在纤芯内进行传输。通过对空气孔的大小、形状和位置等参数进行灵活的调整，就可以很方便地实现对光纤属性的调节。此外，由于气孔的存在，就为诱导等离子体模式产生的金属纳米线、金属棒和金属膜等金属的填充，以及待测分析物的填充提供了很好的渠道；微加工技术的兴起，也为将圆形结构的光子晶体光纤加工为D型光子晶体光纤提供了保障；而光子晶体光纤的玻璃基底材料属性，则为D型光子晶体光纤传感器的研制提供了一种很好的操作基体。因此，光子晶体光纤具有与传统光纤不同的特殊性能，通过更改其结构参数就可以很灵活地控制消逝波的传输，这将更有利于将二者很好地结合在一起，从而为制备高灵敏的新型光纤传感器件提供了很好的手段和方法。

基于金属诱导表面等离子体共振理论在光子晶体光纤传感器中的应用，研究人员已经取得了许多成就，但也存在一些问题，比如：光子晶体光纤的结构设计的过于复杂，不容易制备；分析物折射率的可探测范围窄；传感探测的灵敏度低；设计的传感器结构单一，无法提供替代方案等。这些都极大地限制了光子晶体光纤传感器的应用范围和功能，寻求突破迫在眉睫。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种结构简单，便于制造，灵敏度高，具有相互可替代结构的等离子共振型光子晶体光纤传感器。

具体地，本实用新型提供一种具有双层空气孔排布的光子晶体光纤传感器，其包括基底材料、包层空气孔、金纳米线及待测液体；

所述包层空气孔包括外层空气孔以及内层空气孔，所述内层空气孔用于限制光束在纤芯内进行传输，所述外层空气孔用于改变包层的相对折射率并调节光纤的属性，所述外层空气孔包括四个第一空气孔以及一个第二空气孔，所述内层空气孔包括五个第三空气孔，所述第一空气孔与所述第二空气孔的直径相等，所述第一空气孔和第二空气孔的直径大于所述第三空气孔的直径；