專利名稱：一種易于實(shí)現(xiàn)相位匹配的光子晶體光纖spr傳感模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖SPR傳感技術(shù)，特別是一種易于實(shí)現(xiàn)相位匹配的光子晶體光纖 SPR傳感模型。
背景技術(shù)：
表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)傳感器能激勵非常強(qiáng)的本地電磁振蕩，因此可利用它完成高靈敏度的探測。光纖SPR傳感器是將高靈敏度的表面等離子體傳感技術(shù)與低能量消耗的光纖傳輸技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。然而，采用普通光纖作為敏感元件的光纖SPR傳感器存在耦合損耗大、保偏性差和存在交叉敏感等若干難以克服的缺點(diǎn)，并且光纖SPR傳感器在芯模和等離子體模相位匹配方面存在著一定的困難，因此限制了傳感器性能的進(jìn)一步提聞。在1992年，Russell ST J等人提出了光子晶體光纖的概念。光子晶體光纖也稱為微結(jié)構(gòu)光纖或者多孔光纖，它與傳統(tǒng)光纖相比有許多“奇異”特性，如無休止的單模傳輸特性、極低損耗、可控的色散、非線性特性、高雙折射特性以及可進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改造等，因此受到極大重視，并且隨著光子晶體光纖拉制工藝的不斷成熟，光子晶體光纖已廣泛應(yīng)用于光纖傳感領(lǐng)域。采用光子晶體光纖制作的光纖SPR傳感器擁有很多的優(yōu)勢，其中最重要的是它解決了基于傳統(tǒng)光纖SPR傳感器的芯模與等離子體模相位匹配難實(shí)現(xiàn)的問題。通過在纖芯中引入小氣孔降低芯模的有效折射率，這樣就可以在所需要的任意波長下實(shí)現(xiàn)芯模與等離子體模的相位匹配。2006年,A. Hassani等利用光子晶體光纖制作光纖SPR傳感器,該光纖的芯區(qū)有一個小空氣孔來降低芯模的有效折射率，從而可以在任意所需要的波長下實(shí)現(xiàn)芯模和等離子體模的耦合。該傳感器很好的解決了當(dāng)前所面臨的很難解決的問題-相位匹配，然而其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面相對復(fù)雜。2011年，關(guān)春穎等人在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有了很大的突破，利用結(jié)構(gòu)比較簡單的光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)了 SPR傳感，但是該傳感器必須在高頻區(qū)(波長λ < 700nm) 才能使芯模有效折射率降低，從而滿足芯模和等離子體模的耦合，然而在高頻區(qū)會限制等離子體波進(jìn)入待測樣品的趨膚深度，因而會降低傳感器的靈敏度。因此，構(gòu)建一個易于實(shí)現(xiàn)芯模與等離子體模相位匹配的同時又能使傳感器結(jié)構(gòu)簡單化的光子晶體光纖SPR傳感器模型具有很重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述存在的問題，提供一種易于實(shí)現(xiàn)相位匹配的光子晶體光纖SPR傳感模型，利用該模型所制成的光子晶體光纖SPR傳感器可實(shí)現(xiàn)芯模與等離子體模在任意所需要的波長下相位匹配，同時還能保證傳感器結(jié)構(gòu)的簡單化。本發(fā)明的技術(shù)方案一種易于實(shí)現(xiàn)相位匹配的光子晶體光纖SPR傳感模型，采用纖芯包層結(jié)構(gòu)，材料為石英玻璃，纖芯中心設(shè)有纖芯空氣孔，包層中設(shè)有六個呈正六邊形排列的包層空氣孔，其中兩個位置中心對稱的包層空氣孔內(nèi)表面鍍有金膜。所述纖芯空氣孔的直徑為小于6 μ m。所述包層空氣孔直徑為5. 4 μ m，相鄰包層空氣孔的中心距為6 μ m。所述金膜的厚度為40nm。本發(fā)明的工作機(jī)理該結(jié)構(gòu)光子晶體光纖在纖芯的中心位置設(shè)有小空氣孔，通過改變這個小空氣孔的直徑，就可以調(diào)整芯模的有效折射率，因此高斯芯模的有效折射率可以設(shè)計(jì)成小于纖芯材料折射率的任意值，這樣在任意需要的波長下，都可以使芯模和等離子體模發(fā)生相位匹配， 從而引起表面等離子體共振。光子晶體光纖包層中的六個大空氣孔的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于待測液體的流動，從而能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時檢測，而且大孔徑的光子晶體光纖便于制作以及在內(nèi)孔表面鍍膜；其中在所鍍金膜的兩個空氣孔內(nèi)裝入待測樣品，有四個折射率為I的大空氣孔， 其作用是降低包層的有效折射率，使得光子晶體光纖在纖芯中引入小空氣孔后仍能利用全反射導(dǎo)光機(jī)制將傳輸光束縛在纖芯中。在本領(lǐng)域的仿真過程中，通常使用精確的德魯?shù)?(Drude)-洛倫茲模型來描述所鍍膜層金的介電常數(shù)，因?yàn)樗咏诮鸬恼鎸?shí)特性，并且使用塞耳邁耶爾(Sellmeier)方程來描述石英玻璃的折射率，這是因?yàn)樗咏谑⒉ＡУ淖匀粚傩?。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是I)用該模型制成的光子晶體光纖SPR傳感器可實(shí)現(xiàn)芯模與等離子體模在任意所需要的波長下相位匹配，同時還能保證傳感器結(jié)構(gòu)的簡單化；2)在光子晶體光纖包層中裝待測樣品的空氣孔較大，易于待測液體的流動，從而能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時檢測；3)大孔徑的光子晶體光纖制作工藝相對簡單且在其內(nèi)孔表面鍍膜比較容易。


圖I為該光子晶體光纖SPR傳感模型截面結(jié)構(gòu)不意圖。圖中1.包層2.纖芯空氣孔3.包層空氣孔4.金膜圖2為纖芯空氣孔不同直徑Cl1時光纖的損耗譜。
具體實(shí)施例方式以下將通過實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明所提供的一種易實(shí)現(xiàn)相位匹配的光子晶體光纖SPR傳感模型。但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以做出形式上和細(xì)節(jié)上的多種變型。因此本發(fā)明絕不僅限于以下所述的實(shí)施例。實(shí)施例一種易于實(shí)現(xiàn)相位匹配的光子晶體光纖SPR傳感模型，如圖I所示，采用纖芯包層結(jié)構(gòu)，材料為石英玻璃，纖芯中心設(shè)有纖芯空氣孔2，纖芯空氣孔的直徑分別取值為
I.4 μ m、I. 8 μ m、2. 2 μ m，其折射率是I，包層I中設(shè)有六個呈正六邊形排列的包層空氣孔3， 包層空氣孔直徑為5. 4 μ m，相鄰包層空氣孔的中心距為6 μ m，其中兩個位置中心對稱的包層空氣孔3內(nèi)表面鍍有厚度為40nm的金膜4，材料屬性用介電常數(shù)指定，其表達(dá)式由德魯?shù)?(Drude)-洛倫茲模型給出。
在鍍有金膜的兩個包層空氣孔中裝入待測樣品，本實(shí)施例中待測樣品為水，其折射率是I. 33，另外的四個包層空氣孔折射率是I。該模型選用的包層材料為石英玻璃，其折射率由塞耳邁耶爾(Sellmeier)方程給出。采用波長調(diào)制法，波長的變化范圍為O. 48 μ m-0. 9 μ m，利用基于全矢量有限元法 (FEM)的COMSOL Multiphysics計(jì)算軟件對上述所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e按照(I1 = I. 4μ m、 Cl1 = I. 8 μ Hud1 = 2. 2 μ m進(jìn)行數(shù)值仿真，在各向異性完美匹配層(PML)邊界條件的配合下， 求解模場的有效折射率，然后根據(jù)模場損耗公式計(jì)算出模場損耗，利用Origin軟件繪出Cl1 =I. 4 μ m> (I1 = I. 8 μ m> (I1 = 2. 2 μ m時光纖的損耗譜,如圖2所示,在損耗譜圖上可以觀察到當(dāng)Cl1變化時對共振峰的影響?？梢钥闯霎?dāng)其他參量不變時，隨著纖芯空氣孔2的直徑 Cl1增大，共振峰的強(qiáng)度增強(qiáng)并且共振波長向長波方向移動。在Cl1 = 2. 2μπι的光子晶體光纖模型中，當(dāng)達(dá)到第二個共振峰時，共振波長為730nm，突破了高頻區(qū)，這就意味著在纖芯的中心位置引入一個小空氣孔，可以使共振峰的位置發(fā)生改變，并且共振峰會隨著Cl1增大而向長波方向移動。通過改變纖芯空氣孔2的尺寸大小，就可以獲得在任意所需要波長下的共振峰，避免了共振波長在高頻區(qū)會降低傳感器靈敏度的風(fēng)險(xiǎn)，因此這種設(shè)計(jì)最終有效的解決了光子晶體光纖SPR傳感器芯模與等離子體模相位匹配難實(shí)現(xiàn)的問題。
權(quán)利要求
1 一種易于實(shí)現(xiàn)相位匹配的光子晶體光纖SPR傳感模型，其特征在于采用纖芯包層結(jié)構(gòu)，材料為石英玻璃，纖芯中心設(shè)有纖芯空氣孔，包層中設(shè)有六個呈正六邊形排列的包層空氣孔，其中兩個位置中心對稱的包層空氣孔內(nèi)表面鍍有金膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述易于實(shí)現(xiàn)相位匹配的光子晶體光纖SPR傳感模型，其特征在于 所述纖芯空氣孔的直徑為小于6 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述易于實(shí)現(xiàn)相位匹配的光子晶體光纖SPR傳感模型，其特征在于 所述包層空氣孔直徑為5. 4 μ m，相鄰包層空氣孔的中心距為6 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述易于實(shí)現(xiàn)相位匹配的光子晶體光纖SPR傳感模型，其特征在于 所述金膜的厚度為40nm。
全文摘要
一種易于實(shí)現(xiàn)相位匹配的光子晶體光纖SPR傳感模型，采用纖芯包層結(jié)構(gòu)，材料為石英玻璃，纖芯中心設(shè)有纖芯空氣孔，包層中設(shè)有六個呈正六邊形排列的包層空氣孔，其中兩個位置中心對稱的包層空氣孔內(nèi)表面鍍有金膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是用該模型制成的光子晶體光纖SPR傳感器可實(shí)現(xiàn)芯模與等離子體模在任意所需要的波長下相位匹配，同時還能保證傳感器結(jié)構(gòu)的簡單化；在光子晶體光纖包層中裝待測樣品的空氣孔較大，易于待測液體的流動，從而能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時檢測；大孔徑的光子晶體光纖制作工藝相對簡單且在其內(nèi)孔表面鍍膜比較容易。
文檔編號G01N21/55GK102590148SQ20121004722
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)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(xué)