[发明专利]基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器

说明书

本发明公开了一种基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器，其包括金膜、纤芯、小气孔Ⅰ、小气孔Ⅱ、大气孔、包层，金膜设置在包层外侧，在包层中心处设置有小气孔Ⅱ，小气孔Ⅱ外侧设置有内层空气孔，内层空气孔是呈正三角形排列的小气孔Ⅰ，外层空气孔是由小气孔Ⅰ、大气孔呈正六边形排列而成且大气孔位于小气孔Ⅰ之间，同时在包层中形成3个实心纤芯，3个纤芯共用小气孔Ⅱ；本发明三芯结构的设计提高了传感器的检测范围；金膜的使用即能更好的激发SPR现象，又能提高传感器的灵敏度和分辨率；该传感器的结构设计简单，体积小，检测范围广，抗腐蚀能力强，灵敏度及分辨率高，是一种实用的传感器，具备商业化推广的潜力。

技术领域

本发明涉及光纤SPR传感技术领域，尤其是一种基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器。

背景技术

表面等离子体共振(surface plasmon resonance，SPR)是指在一定的入射波长或入射角下，表面等离子体激元与倏逝波的频率相等，入射光被强烈吸收，反射光或透射光的能量急剧下降，在探测光谱上产生相应的共振吸收峰。金属表面周围的介质折射率变化会改变共振吸收峰的位置，因此，可以将SPR技术应用于药物筛选，临床诊断和环境检测等领域。

利用SPR技术设计制造的传感器具有高灵敏度、实时检测和抗干扰能力强等优点，在生物、化学和医学等领域应用广泛，传统的SPR传感器一般采用Kretschmann-raether结构，但是，基于此种结构设计的传感器体积较大，结构复杂，且无法实现远程检测。为了解决上述问题，近几十年来科研工作者将SPR技术与光子晶体光纤相结合，用于制作SPR传感器，并展现了显著的性能，扩大了此类传感器的应用范围。

基于光子晶体光纤的SPR传感器的气孔位置排列规则，可以根据不同的应用环境以及待测物进行设计，2013年Zhang Peipei等人提出了一种基于多芯光子晶体光纤的SPR传感器，在1.41-1.42范围内，灵敏度为3300nm/RIU，相应的分辨率为3.03×10^-5，但是，该传感器将金膜溅射于光纤的内部，增加了传感器的制造难度。2015年Wang Guangyao等人提出了一种基于表面等离子体共振的D形光子晶体光纤生物传感器，在1.345-1.41范围内，最大灵敏度可达12450nm/RIU。2017年An Guowei等人提出了一种基于表面等离子体共振的D形光子晶体光纤传感器，在1.33-1.38范围，最大灵敏度为10493nm/RIU，相应的分辨率为9.53×10^-6RIU。上述D形光子晶体光纤需要对光纤表面进行预抛光，对传感器的制造提出了挑战，且传感器的灵敏度较低。2019年Fu Haiwei等人提出了一种高灵敏度D型石墨烯银纳米柱表面等离子体共振光纤折射率传感器，在1.33-1.39范围内，灵敏度可达8860.93nm/RIU。但该传感器采用多层薄膜结构，层与层之间的相互作用力以及制造过程中的溅射难度，都还没有得到验证。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器，通过改变气孔的大小和位置以及金膜的厚度，提高传感器的灵敏度。

本发明基于金膜包覆的三芯光子晶体光纤SPR传感器包括金膜、纤芯、小气孔Ⅰ、小气孔Ⅱ、大气孔、包层，金膜溅射在包层外侧，在包层中心处设置有小气孔Ⅱ，小气孔Ⅱ外侧设置有内层空气孔，内层空气孔是呈正三角形排列的小气孔Ⅰ(即小气孔Ⅰ呈120°分布在小气孔Ⅱ周围)，外层空气孔是由小气孔Ⅰ、大气孔呈正六边形排列而成，且大气孔位于小气孔Ⅰ之间，同时在包层中形成3个纤芯，即3个大气孔、2个小气孔Ⅰ、1个小气孔Ⅱ围成一个实心纤芯，3个纤芯共用小气孔Ⅱ并呈120°分布。

所述小气孔Ⅰ和大气孔间的中心距为晶格常数Λ＝1.9-2.1μm。

所述小气孔Ⅰ和小气孔Ⅱ间的中心距为

所述大气孔直径为1μm；小气孔Ⅰ的直径为0.4-0.6μm，小气孔Ⅱ的直径为0.2-0.4μm，小气孔Ⅱ直径小于小气孔Ⅰ直径。