一种基于d型双金属涂层的双折射pcf折射率传感器
阅读说明：本技术 一种基于d型双金属涂层的双折射pcf折射率传感器 (Double refraction PCF refractive index sensor based on D-type double-metal coating ) 是由 杨宏艳 韦银玉 刘孟银 陈昱澎 梅梓洋 苑立波 于 2021-01-12 设计创作，主要内容包括：本发明设计了一种基于D型TiO-2-Au涂覆的双折射光子晶体光纤折射率传感器,该传感器由一段包层区域抛磨掉部分形成的D型PCF、二氧化钛和金薄膜组成。本发明利用SPR效应,通过准确测量共振波长的变化,就能计算出金薄膜表面未知溶液折射率的变化,来实现传感检测。本发明的优点：PCF结构的D型设计和空气孔的不对称排布使得纤芯产生的倏逝波向包层泄露更多,PCF-SPR效应更强烈。为了解决金与基地材料的粘附问题,在基地与金薄膜之间涂覆一层二氧化钛材料,二种等离子体激发材料。纤芯方向空气孔的不对称性产生双折射,增强金薄膜表面SPR现象,提高传感器的测量折射的灵敏度和测量精度。该传感器结构紧凑,能够实时检测,灵敏度高,损耗低,具有良好的传感特性。(The invention designs a TiO based on D type 2 An Au coated birefringent photonic crystal fiber refractive index sensor consisting of a section of cladding area polished away part of the formed D-type PCF, titanium dioxide and gold thin film. The invention can calculate the change of the unknown solution refractive index on the surface of the gold film by accurately measuring the change of the resonance wavelength by utilizing the SPR effect, thereby realizing sensing detection. The invention has the advantages that: the D-type design of the PCF structure and the asymmetric arrangement of the air holes enable evanescent waves generated by the fiber core to leak more to the cladding, and the PCF-SPR effect is stronger. In order to solve the problem of adhesion between gold and a base material, a layer of titanium dioxide material and two plasma excitation materials are coated between the base and a gold film. The asymmetry of the air holes in the fiber core direction generates double refraction, the surface SPR phenomenon of the gold film is enhanced, and the sensitivity and the measurement precision of the measurement refraction of the sensor are improved. The sensor has the advantages of compact structure, real-time detection, high sensitivity, low loss and good sensing characteristic.)
(一)技术领域
本发明涉及一种基于D型双金属涂层的双折射光子晶体光纤(photonic crystalfiber,PCF)折射率传感器，属于特种光纤、光纤传感领域。
(二)背景技术
光纤传感的核心使命是获取信息，在信息获取和信息传输领域发挥着不可替代的作用。光子晶体光纤(PCF)是一种新型类型的光纤，特征是在包层区域有许多平行于光纤轴向的微孔，包层中的空气孔阵列降低了包层的有效折射率，从而满足“全反射”条件，光被束缚在芯区内传输，这种导光机制与传统光纤类似，被称为“改进的”全反射原理。与传统光纤性质相比，PCF独特性质，包括沿光纤轴向无限延伸的周期性分布的微气孔结构，使其具有灵活的结构布局，无截止单模、高非线性、高双折射、大模场尺寸、易填充工作物质、低传输损耗、色散可控等特性。近年来SPR被引入PCF中，成为研究的热点。
表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)原理：当入射光从光密介质入射到光疏介质，当入射角大于全反射角时，会发生全反射现象，全反射时产生的倏逝波进入金属薄膜，并与金属薄膜的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波(SPW)。当入射波长满足一定值时，入射光的大部分能量会转换成SPW的能量，从而使反射光的能量急剧下降，在反射谱上出现共振吸收峰，此时的入射波长称为SPR的共振波长。本发明利用SPR效应，通过准确测量未知溶液产生共振波长的变化，就能得到金属薄膜表面未知溶液折射率的变化，来实现传感检测。由于共振波长对未知溶液折射率变化特别灵敏，所以SPR传感器能够“实时”检测和很高灵敏度的折射率测量。光子晶体光纤表面等离子体光纤传感器因其在对各种生物和化学物质检测的领域具有高灵敏度，在生物医疗及生命安全领域具有重要应用，而成为近年来世界各国科研小组研究的热点。
近年来对PCF-SPR折射率传感器的研究越来越多，特别是D型光纤，使用金薄膜作为等离子材料也被普遍使用。本设计基于研究背景提出一种D型的PCF-SPR传感器，由于金膜与基地材料二氧化硅的粘附问题，提出在基地材料和金薄膜之间添加一种二氧化钛材料Tio2。为了获得更高的灵敏的，本设计在空气孔的排布和大小做了设计，由三个环六角形排布的空气孔组成，纤芯正交方向的空气孔尺寸不同，可以得到双折射效应。该设计因其结构特殊，对外界环境变化非常敏感，传感区域在光纤外部，所以高灵敏度低损耗的TiO2-Au涂覆的PCF-SPR传感器在众多领域应用的更佳广泛。
PCF-SPR传感器具有结构紧凑、灵敏度高、易于远程控制和抗磁干扰等能力，纷纷被人报道，包括折射率传感器，磁场传感器，温度传感器和压力传感器等。2017年，Rifat,A.A等人提出一种D型光子晶体光纤折射率传感器，二氧化钛和金薄膜作为等离子材料，在折射率范围1.33-1.43范围内，波长灵敏度达到9800nm/RIU，最大损耗峰值为23.18dB/cm。2018年，Paul,A.K等人提出的双芯光子晶体光纤折射率传感器，金作为等离子材料，在折射率范围1.33-1.40内，波长灵敏度达到9000nm/RIU，最大损耗峰值为65dB/cm。2019年，W.S等人设计了一种对称侧抛型双芯光子晶体光纤折射率传感器，在折射率范围1.3-1.42内，最大灵敏度达到8000nm/RIU，最大损耗峰值为248.9dB/cm。
本文设计了一种新的结构，对折射率的测量具有更高的灵敏度。设计一种D型Au-Tio2涂覆的双折射光子晶体光纤折射率传感器，该传感器的结构是在包层部分抛磨一定深度，抛磨面即传感区域，为了解决金与基地材料的粘附问题，先在抛磨面沉积一层Tio2材料，后在镀一层金薄膜，二种材料作为等离子体激发材料。包层区域有三层空气孔阵列形成，纤芯正交方向的空气孔尺寸不同，可以得到双折射效应。在双折射光纤中，单模光纤传输的二个正交偏振模式的传播速度不同，因而可用来保持光器件中光的偏振态。与传统光纤不同的是光子晶体光纤所获得的双折射特性对温度极不敏感，这一特性在很多领域都是需要的。光纤传感器的传感区域在光纤外部，可以直接接触未知溶液，避免孔内镀膜和传感测试的缺点。通过合理的设置PCF的数值孔径，二氧化钛及金薄膜的厚度，可以得到一个最佳的灵敏度物理参数，从而实现传感器在折射率范围内有着高灵敏度和高传感精度的传感测量。
基于双折射的高灵敏度折射率传感器研究有重要的意义，PCF结构的D型设计和空气孔的不对称排布使得纤芯产生的倏逝波向包层泄露更多，PCF-SPR效应更强烈。在金薄膜和基底材料之间沉积一定厚度的Tio2材料，不仅解决了金薄膜与基底材料的粘附问题，还起到增敏作用。而且该传感器结构和工艺简单，集成度高，是一种在测量范围内能够准确检测的实用型传感器。
(三)
发明内容
针对上述问题，本发明主要是提供一种结构简单工艺易于实现，稳定性好、分辨率高的折射率传感器。
本发明通过以下技术方案实现的：
D型TiO2-Au涂层的双折射PCF折射率传感器结构包层区域由三个环六角形排布的空气孔组成，第一层空气环中纤芯正交方向由直径不同的空气孔组成，大空气孔直径为D，剩余空气孔直径相同为d。通过侧边抛磨技术在PCF包层区域抛磨一定深度H形成一个抛磨面，在抛磨面上先沉积一层Tio2(3)，再沉积一层金薄膜(4)作传感区域，所述的二种材料在PCF的轴向延伸的平滑表面上，传感区域直接接触未知溶液(5)。
近一步地，所述D型PCF的大空气孔直径D＝10um，小空气孔直径d＝0.42∧，空气孔的间距∧＝8um，所述D型Au-Tio2涂层PCF的轴向延伸的平滑表面到其纤芯的距离为抛磨深度H＝11um，二氧化钛的厚度tTio2＝6nm，和金膜的厚度为tg＝40nm。
近一步地，在PCF折射率传感器的传感区域外加载未知溶液，由于SPR效应对未知溶液折射率变化十分敏感，当金薄膜表面未知溶液折射率发生微小变化时，损耗吸收峰对应波长位置会发生改变，我们通过测量对应共振波长位置的偏移量解调出未知溶液折射率的变化，计算出在低折射率范围内的灵敏度。
本文设计的D型双折射PCF折射率传感器结构简单，避免了孔内镀膜的复杂工艺，PCF结构的纤芯正交方向设计大小不同的空气孔结构形成双折射，D型设计增强了纤芯产生的倏逝波向包层区域泄露。使用TiO2-Au涂层的优点不仅解决了金薄膜与基底材料的粘附问题，还能提高灵敏度。利用该模型结构制成的D型Au-Tio2涂层双折射PCF折射率传感器在有效折射1.37-1.42范围内能实现高灵敏度检测，平均波长灵敏度7920nm/RIU；最大波长灵敏度能到16000nm/RIU，最大测量精度值6.25×10-6nm/RIU；最大振幅灵敏度达到1029.69nm/RIU，最大共振损耗峰值5.62dB/cm。
(四)附图说明
图1为本发明的二维截面示意图。
图2为本发明大空气孔直径变化时的损耗普曲线图。
图3为本发明在折射率n＝1.40～1.41，随着二氧化钛厚度变化的损耗谱曲线图。
图4本发明的金薄膜厚度变化时的损耗谱曲线图。
图5为本发明不同折射率随波长变化的曲线图。
图6为本发明的振幅灵敏度随波长变化的曲线图。
图中标号为：(1)、D型光子晶体光纤，(2)、空气孔，(3)、二氧化钛TiO2，(4)、金薄膜，(5)、未知溶液，(6)完美匹配层PML。
(五)
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明是基于一种D型Au-Tio2涂层双折射光子晶体光纤传感器，如图1所示，采用纤芯包层结构，材料是二氧化硅，该传感器由一段包层区域抛磨掉部分形成的D型PCF(1)、二氧化钛(3)、金薄膜(4)和未知溶液(5)组成。通过侧边抛磨技术在PCF包层区域抛磨，抛磨深度H＝11um，形成一个抛磨面，H是抛磨面上距离纤芯的距离。在抛磨面上沉积一层二氧化钛厚度tTio2＝6nm，在沉积一层金薄膜厚度tg＝40nm。包层区域由三个环六角形排布的空气孔组成，第一层空气环中纤芯正交方向由直径不同的空气孔组成，大空气孔直径为D，剩余空气孔直径相同为d。为了获得一个最佳的传感灵敏度，可以优化空气孔的直径、二氧化钛厚度、金膜厚度等参量，实现该传感器在折射率范围有高灵敏度的传感测量。该双折射PCF折射率传感器工艺简易，结构紧凑，体积小，不受温度影响等优点，可应用在生物监测，化学检测，海洋环境测试等领域。
上述基于D型双折射PCF折射率传感器制备过程：用堆积拉制光纤技术制备光子晶体光纤，使用侧边抛磨技术把一段光子晶体光纤的包层区域抛磨一定深度，形成的抛磨面距离纤芯的距离为H＝11um。
在金薄膜和基底材料之间使用一层二氧化钛减少金的粘附问题并提高灵敏度，还有助于SPR的激发。二氧化钛的介电常数可以通过以下公式计算：
其中，是二氧化钛的折射率，λ是波长，单位um。
金作为常用的等离子体材料，其相对介电常数εAu可以由Lorentz-Drude模型加以描述：
εAu为金的介电常数，ε∝为高频下的介电常数，ω为角频率且ω＝2πc/λ，ωD是等离子体频率，γD是阻尼频率，且ωD/2π＝2113.6THz,γD/2π＝15.92THz，加权系数Δε＝1.09，洛伦兹振子的谱宽和振子强度分别为ΓL/2π＝104.86THz andΩL/2π＝650.07THz。
在本发明实例中，PCF结构D型设计增强纤芯产生的倏逝波向包层泄露更多，纤芯正交方向设计大小不同的空气孔结构形成双折射，在抛磨面上沉积一层Au-TiO2涂层作为传感层检测未知溶液的折射率。TiO2涂层可以有效的将核心引导模式与SPR模式联系起来而有助于激发SPR，提高传感器的灵敏度。相对于其他高折射率的传感器研究，测量折射率的传感器，该传感器避免了空气孔镀膜或灌注待测液体，降低了工艺制造的难度，应用更广泛。本发明需要将一段PCF光纤包层区域抛磨一定深度H，沉积的二氧化钛厚度范围在6-14nm之间变化，在涂覆一层金薄膜，金膜厚度范围在30-50nm之间变化。
通过改变大空气孔的直径、二氧化钛厚度，金膜厚度、外界待测介质折射率等结构参数，共振吸收峰的位置会发生变化；通过改变未知溶液的折射率检测共振吸收峰的偏移量，可以解调出该传感器此时的灵敏度，达到实时监测的功能；通过合理的优化结构参数，能得到一个最佳的灵敏度。
计算灵敏度的公式为：
其中Δλ为共振吸收峰波长改变量，Δn为外界待测介质折射率的改变量。
计算振幅灵敏度的公示为：
其中α(λ,n)是未知溶液折射率等于n时的总损耗，是由于未知溶液折射率的微小变化引起的两个相邻损耗峰之间的差值，是未知溶液折射率的变化。
采用波长调制法，波长的变化范围为650-1250nm，利用基于全矢量有限元法(FEM)对上述所设计的实验模型进行数值仿真，在各向异性完美匹配层(PML)边界条件的配合下，求解模场的有效折射率，然后根据模场损耗公式α(dB/cm)＝8.686×k0Im(neff)×104计算出模场损耗，Im(neff)是有效模场折射率虚部，波矢k0＝2π/λ,利用Origin软件绘出传感器的损耗谱。
在折射率1.41的条件下，随着大空气孔直径D的变化，传感器的耦合损耗峰值随波长的变化如图2所示。当大空气孔直径D从4um增加到10um，损耗峰的值从1.39dB/cm增加到5.49dB/cm。原因是增大空气孔直径D，与空气孔d的差值越大，光纤结构双折射效应越强，纤芯的光向包层泄露的倏逝波越多，激发等离子体材料产生的SPR效应越强，如图中D＝10um时损耗峰值最大。
在折射率1.40-1.41，随着二氧化钛厚度从4nm到14nm变化，损耗峰值随波长的变化如图3所示。在折射率1.40条件下，随着从6nm增加到14nm，损耗峰值从3.533dB/cm降低到3.127dB/cm。在折射率1.41条件下，随着从6nm增加到14nm，损耗峰值从4.916dB/cm降低到4.246dB/cm。在折射率1.40-1.41，二氧化钛厚度从6nm变化到14nm，根据灵敏度公式都能得到此时传感器的灵敏均为9600nm/RIU。从图中可以看出，当折射率为1.40-1.41时，在时，损耗峰值最大，表明此时SPR现象最为明显，所以二氧化钛厚度的最优参数为6nm。
在折射率1.40-1.41，的条件下，随着金薄膜厚度tg从30nm到50nm变化，损耗峰值随波长的变化如图4所示。当折射率为1.40，金薄膜厚度从30nm增加到50nm时，随着波长的增加，损耗峰值从6.486dB/cm降低到1.940dB/cm。当折射率为1.41，金薄膜厚度从30nm增加到50nm时，随着波长的增加，损耗峰值从9.978dB/cm降低到2.538dB/cm。从图中可以看出，金薄膜厚度增加，损耗峰值α逐渐减小，共振波长发生红移，相应的共振损耗峰的半高全宽(FWHM)变宽。原因是表面等离子体波对金薄膜厚度变化非常敏感，随着金薄膜厚度增加，相位匹配点发生红移。由于金薄膜阻尼增大，导致耦合效率降低，在图中表现损耗峰值降低。另一方面，金薄膜厚度太薄导致损耗峰值比较大，所以设计的传感器的金膜厚度的最优参数选择40nm。
固定其他参数，改变未知溶液折射率，损耗峰值随波长的变化如图5所示。在折射率范围1.37-1.42，随着未知溶液折射率的增加，吸收共振峰的峰值发生红移。当折射n从1.37变化到1.38、1.39、1.40、1.41和1.42时，损耗峰的峰值偏移量分别为32、48、64、92和160nm。灵敏度分别为3200、4800、6400、9200和16000nm/RIU。使用折射率公式计算得到，在折射率范围(n＝1.37-1.42)内，最大波长灵敏度为16000nm/RIU，平均灵敏度为7920nm/RIU。使用分辨率0.1nm的高精度光谱仪，测得传感器的最小分辨率为6.25×10-6RIU。
图6显示了D型Au-TiO2涂覆的PCF-SPR传感器的振幅灵敏度随波长的变化。展示了1.37至1.38、1.38至1.39、1.39至1.40、1.40至1.41和1.41至1.42的分析物折射率在波长为750、798、854、942和1110nm的振幅灵敏度分别为235.42、331.36、550.65、851.69和1029.69RIU-1。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
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