專利名稱：一種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種實芯光子晶體光纖，特別是基于表面等離子體共振的光子晶體光纖。
背景技術：
作為一種新型光纖，光子晶體光纖由于其具有獨特的包層結構，越來越受到國內(nèi)外學者們的重視，成為光纖領域的研究熱點。與普通的光纖相比，光子晶體光纖有很多獨特的優(yōu)勢，如無截止的單模特性、奇異的色散特性、高雙折射特性、低損耗特性等。光子晶體光纖按照纖芯材料的不同，可以分為實芯光子晶體光纖和空芯光子晶體光纖，這兩種光纖的導光機制也不同，分別對應為全內(nèi)反射型和光子帶隙型。光子晶體光纖的包層空氣孔具有很強的可變性，根據(jù)需要設計光子晶體光纖的孔直徑或者孔間距兩項參數(shù)，能夠得到不同的光波傳輸特性。除此之外，還可以改變包層空氣孔的排列形狀，以及改變包層空氣孔自身的形狀，都可以獲得新的傳輸特點。光纖傳感器有著廣泛的應用前景，不僅抗腐蝕、抗干擾、靈敏度高、光路可彎曲，而且重量輕、體積小、結構簡單、易于形成網(wǎng)絡。可是盡管擁有如此多的優(yōu)點，使用普通光纖作敏感元件的光纖傳感器仍然存在很多缺點和“瓶頸”問題難以解決，如較差的保偏性，較大的耦合損耗，以及交叉敏感等問題。光子晶體光纖的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)光纖的約束，為解決這些困難帶來了希望，其獨特的性質拓寬了光纖傳感領域的范圍。目前來講，光子晶體光纖在光纖傳感方面的主要研究和應用在以下幾個方面光子晶體光纖光柵傳感器、光子晶體光纖干涉型傳感器、摻雜功能材料的光子晶體光纖傳感器。本發(fā)明所提出的傳感結構就是屬于摻雜功能材料的光子晶體光纖傳感器這一類。 由于光子晶體光纖的包層和纖芯都布滿了空氣孔，可以比較容易的向其中注入氣體、液體， 乃至液晶等易流動的材料，利用這種優(yōu)勢研制出了光子晶體光纖氣體傳感器、液體傳感器， 還有基于液晶填充的光子晶體光纖溫度傳感器等。當空氣孔內(nèi)填充某些介質時，填充的介質會和光纖中的倏適場發(fā)生作用，使得光纖中的傳輸光強發(fā)生改變，而這些填充介質又可以反映周圍環(huán)境的改變，也就是說，環(huán)境變化間接導致了傳輸光強的變化，因此通過分析輸出的光波就可以達到傳感的目的。表面等離子體共振(SPR)應用于傳感是從20世紀60年代開始，來自德國的Otto 提出了第一個SPR傳感結構,建立了表面等離子體共振傳感理論，之后，Kretschmann基于衰減全反射的辦法也提出了一種SPR傳感結構,稱為Kretschmann傳感結構,這兩種結構的主體都是棱鏡系統(tǒng)。表面等離子體共振傳感技術可以實現(xiàn)免標記檢測和無損傷檢測，并具有實時性，在生物、化學、環(huán)境、醫(yī)學等許多與人們生活密切相關的領域都有廣泛應用，已經(jīng)成為傳感領域的一個研究熱點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述技術分析，提供一種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，該光纖為實芯包層結構，采用該結構光子晶體光纖的光纖傳感器，靈敏度好、傳感特性可調可控且探測的環(huán)境范圍更廣。本發(fā)明的技術方案—種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，為實芯包層結構，包層內(nèi)設有三層呈正六邊形排列的空氣孔，第二層空氣孔內(nèi)沉積有金膜。所述實芯包層的材料為聚乙烯，其折射率為1.508。所述空氣孔的直徑為I μ m，空氣孔間距為2 μ m，三層正六邊形排列空氣孔的外接圓直徑為20 μ m。所述第二層空氣孔內(nèi)壁沉積金膜的厚度為50nm。本發(fā)明的工作機理該結構的光子晶體光纖基于表面等離子體共振原理。表面等離子體共振(SPR)是一種物理光學現(xiàn)象，是光在金屬表面作用的結果。當入射的TM波與表面等離子體波具有相同的波矢時，二者將在金屬界面處發(fā)生能量耦合，部分入射光的能量將被表面等離子體波吸收，從而導致反射光能量的急速減少，在光纖光譜上得到共振吸收峰。SPR現(xiàn)象對金屬薄層附近被測物的折射率格外敏感，光在光纖中傳播時，會依次與金膜和被測液體相互作用， 發(fā)生SPR效應。當被測液體的折射率發(fā)生變化時，SPR吸收峰的位置也會變化，在光子晶體光纖中對應表現(xiàn)為限制損耗吸收峰位置的變化，通過觀察分析光子晶體光纖的限制損耗譜，就能夠感受到被測液體的折射率變化，達到了傳感的目的。本發(fā)明的優(yōu)點是采用該實芯包層結構光子晶體光纖的光纖傳感器，靈敏度更好， 并且傳感特性隨包層結構的改變而可調可控，相較于傳統(tǒng)的表面等離子體共振傳感器，探測的環(huán)境范圍更廣，由于更加微型化，易于探測一些空間狹窄、環(huán)境惡劣的地方，應用前景更加廣泛。


圖I該光子晶體光纖截面結構示意圖。圖中1.包層2.第一層空氣孔3.第二層空氣孔4.第三層空氣孔5.金屬膜圖2是有效折射率的實部與波長的關系圖。圖3是光子晶體光纖的損耗與波長的關系圖。圖4是空氣孔折射率由I. 33變?yōu)镮. 34時，光子晶體光纖的損耗譜。
具體實施例方式實施例一種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，如圖I所示，為實芯包層結構，材料為聚乙烯，其折射率為I. 508，包層I內(nèi)設有三層呈正六邊形排列的空氣孔2、3、4，空氣孔的直徑(d)為lym，空氣孔間距(Λ)為2μπι，三層正六邊形排列空氣孔的外接圓直徑為 20 μ m，第二層空氣孔3內(nèi)沉積有厚度為50nm的金膜。用有限元軟件建立此發(fā)明的傳感結構模型，模擬傳感過程，計算光子晶體光纖的有效折射率，此有效折射率為一復數(shù)，其實部可以反應光子晶體光纖的色散特性，虛部則可以用來求解光子晶體光纖的損耗特性。有效折射率實部和虛部的變化規(guī)律如圖2和圖3所
由圖2可以看出，隨著波長的增大，光子晶體光纖的有效折射率的實部逐漸減小。 在圖3中，光子晶體光纖有三處損耗吸收峰，損耗吸收峰所在的位置，就表示該波長下發(fā)生了 SPR現(xiàn)象。第一處損耗峰峰值最小，損耗峰較寬且有小型震蕩峰，此500nm 600nm波長范圍內(nèi)的損耗峰不利于觀察；其它兩處損耗吸收峰都十分明顯，峰值較大，易于分辨和記錄。因此在制作傳感器時，采用波長掃描法監(jiān)測光纖損耗，為了得到清晰突出的損耗譜，可以不使用短波段的波長。采用該實芯包層結構光子晶體光纖的光纖傳感器，用于傳感液體折射率的變化， 靈敏度更好，并且傳感特性隨包層結構的改變而可調可控。將被測液體注入沉積有金膜的第二層空氣孔內(nèi)，當被測液體的折射率變化Λη時，損耗吸收峰會發(fā)生位移Λ λ，通過下式計算可求出傳感器的靈敏度S，S = Λ λ/An(RIU)。若被測液體折射率從I. 33變化至
I.34,即Δη = O. 01,從圖4可以看出，損耗吸收峰的位置變化了 Δλ = 5nm, S = 500nm/ RIU。
權利要求
1.一種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，其特征在于為實芯包層結構，包層內(nèi)設有三層呈正六邊形排列的空氣孔，第二層空氣孔內(nèi)沉積有金膜。
2.根據(jù)權利要求I所述基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，其特征在于所述實芯包層的材料為聚乙烯，其折射率為I. 508。
3.根據(jù)權利要求I所述基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，其特征在于所述空氣孔的直徑為I μ m，空氣孔間距為2 μ m，三層正六邊形排列空氣孔的外接圓直徑為20 μ m。
4.根據(jù)權利要求I所述基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，其特征在于所述第二層空氣孔內(nèi)壁沉積金膜的厚度為50nm。
全文摘要
一種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，為實芯包層結構，包層內(nèi)設有三層呈正六邊形排列的空氣孔，第二層空氣孔內(nèi)沉積有金膜，所述實芯包層的材料為聚乙烯；所述空氣孔的直徑為1μm，空氣孔間距為2μm，三層正六邊形排列空氣孔的外接圓直徑為20μm；所述第二層空氣孔內(nèi)壁沉積金膜的厚度為50nm。本發(fā)明的優(yōu)點是采用該實芯包層結構光子晶體光纖的光纖傳感器，靈敏度更好，并且傳感特性隨包層結構的改變而可調可控，相較于傳統(tǒng)的表面等離子體共振傳感器，探測的環(huán)境范圍更廣，由于更加微型化，易于探測一些空間狹窄、環(huán)境惡劣的地方，應用前景更加廣泛。
文檔編號G02B6/02GK102590930SQ20121004769
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權日2012年2月28日
發(fā)明者任廣軍, 劉蓓, 呂蕾, 董莉 申請人:天津理工大學