一种双通道D型光子晶体光纤SPR传感器实现方法.pdf
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1、-111-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期三星推荐表 面 等 离 激 元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)是由金属表面自由电子集体振荡形成的电磁模式。当入射光波与 SPP 波满足波矢匹配条件时,入射光波的能量会转移到金属表面,从而在金属-介质层之间激发产生表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)现象,同时在输出光谱上产生对应的共振吸收峰。理论和实验结果表明,当介质层的折射率发生变化时,波矢匹配条件随之变化,相应的 SPR 共振
2、峰发生偏移,通过分析输出光谱的变化,从而实现对目标物的实时检测。SPR 传感技术具有灵敏度高,抗电磁干扰能力强以及可实时监测的优良特性,在化学、生物医学及环境监测领域得到了广泛的应用。然而传统的棱镜型 SPR 传感器体存在体积庞大、结构复杂以及无法进行远程检测的等缺点。为了解决上述问题,研究人员提出利用光纤结构简单、体积小以及可远程监测的优点设计出光纤 SPR 传感器,其中,光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)具有结构灵活、高双折射率以及无截止单模传输的特性,已成为 SPR 传感器的研究热点。光子晶体光纤是一种横截面具有不同空气孔排布的新型光纤。目前主流的 PC
3、F-SPR 传感器是通过在光纤表面或者气孔内部镀金属膜实现 SPR 传感。然而,气孔内部镀膜工艺难度较高,光纤表面镀膜导致裸露的传感通道易受损坏且无法充分利用 PCF 的结构优势。为了克服上述缺点,本文提出一种双通道 D 型光子晶体光纤 SPR 传感器的实现方法。首先通过抛磨光纤在纤芯附近形成双开环检测通道,然后在通道表面沉积不同金属膜层,最终实现双参量检测。利用 COMSOL Multiphysics 软件对其传输模式进行有限元分析,优化了传感器的结构参数,研究了传感器的传感性能,为双参量 PCF-SPR 传感器的研究提供理论参考。传感原理根据倏逝波理论可知,当入射光在 PCF 纤芯内部发生
4、全反射时,光波穿透到包层到达金属表面,从而在金属表面激发产生 SPP 波,当纤芯内部光场传输模式沿金属界面方向的波矢分量与 SPP 的波矢相匹配时,就可以在金属表面激发产生 SPR 现象。根据麦克斯韦方程组和电磁场边界关系可以推导出金属表面 SPP 波的色散关系满足:mssppmskc=+(1)其中kspp为SPP波的波矢,为入射光角频率,c为光速,行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种双通道 D 型光子晶体光纤 SPR 传感器实现方法郭才城郭才城中国飞行试验研究院中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLO
5、GY INFORMATION Apr.2024-112-三星推荐m为金属介电常数。入射光波在金属-介质层界面的波矢满足:0()sinxkc=(2)其中 0()是纤芯介电常数,为光波的入射角度。当 kx=real(kspp)时,满足波矢匹配条件,纤芯内部的基模与SPP模之间发生强烈耦合,基模的能量转移到SPP模中,金属表面激发产生 SPR 效应,此时基模的损耗曲线出现共振峰,由公式(1)和(2)可得:00sin()smsm =+(3)其中,0为共振条件下入射光的角度,由式(3)可知,当待测物质的介电常数发生改变时,入射光的角度会随着共振条件的改变而改变,进而导致损耗曲线共振峰的位置发生偏移,因此
6、,可以根据共振峰的偏移量反推获得待测物质的浓度。目前主要通过限制损耗来评估传感器的性能,它主要与基模的有效折射率虚部有关,可表示为:428.686Im()10effn=(4)其中,(dB/cm)表示限制损耗,(nm)表示波长,Im(neff)表示基模的有效折射率虚部。利用波长调制的方法,传感器的灵敏度可由以下公式定义:peaksSn=(5)其中,S(nm/RIU)是传感器的灵敏度,peak是共振波长漂移量,ns是待测物折射率变化量。结构设计与数值模拟本文设计的双通道 D 型 PCF-SPR 传感器的二维结构示意图如图 1 所示。传感器一侧为抛磨面,内部具有五层空气孔,空气孔间距为=2m,空气孔
7、直径 d1=0.5,光纤直径 D=9,光纤的两个纤芯分别为纤芯 A1和 A2,两个纤芯上方均设置两个 C 型传感通道 B1和 B2,直径d2=2.4m,通道 B1表面蒸镀一层厚度为 tAu=50nm 的金纳米薄膜,通道 B2表面蒸镀一层厚度为 tAg=50nm 的银纳米薄膜。(d)通道 B2共振波长处的电场分布图 2不同通道产生的损耗光谱及电场分布(a)通道 B1(金膜)的损耗光谱(b)通道 B1共振波长处的电场分布(c)通道 B2(银膜)的损耗光谱图 1 传感器结构示意图-113-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息
8、2024 年第 8 期三星推荐光纤的基底材料为 SiO2,其折射率可由 Sellmeier 方程计算得出:22222222220.696 166 30.407 942 60.897 47910.068 404 30.116 241 49.896 161n=+(6)金和银的相对介电常数采用 Drude-Lorentz 模型表示,表达式为:()2pici=+(7)其中,是金属的高频介电常数,金和银分别为 9.75和 9.84,p是等离子体频率,金和银分别为 1.361016Hz和 1.3671016Hz,c为电子的散射频率,金和银分别为1.451014Hz 和 1.0181014Hz,是入射光的角
9、频率。仿真设置中,光源设置为平面波,在出射边界层采用完美匹配层(Perfect Matched Layer,PML)边界条件,当出射光波穿过 PML 层时,可被 PML 层吸收,从而使得仿真结果趋近于真实情况,网格采用自由三角形网格划分仿真结构。图 2 为传感器在激发产生 SPR 效应时,不同通道产生的损耗光谱以及电场分布图。图 2(a)和(c)为通道 B1(金膜)以及通道 B2(银膜)的损耗光谱,从图中可以看出,在500800nm 波长范围内,传感器损耗光谱存在两个共振损耗峰,当波长为 650nm 和 570nm 时,光谱的共振损耗达到最大,分别为 2 968.6 dB/cm 和 2 820
10、.4dB/cm,进一步提取出共振波长处的纤芯截面电场分布图,如图 2(b)和(b)银膜(通道 B2)图 4 PCF 的空气孔直径 d1对损耗光谱的影响(b)银膜(通道 B2)图 3 PCF 的空气孔间距对损耗光谱的影响(a)金膜(通道 B1)(a)金膜(通道 B1)(d)所示。从图中可以看出,在共振波长处,纤芯的部分能量转移到金属膜层中,损耗光谱在共振波长处的损耗值达到最大,这是因为纤芯的基模与 SPP 模式达到相位匹配条件,导致基模的部分能量耦合至金属层中,表现为基模限制损耗急剧增大,损耗谱出现共振峰,此时的入射光波长即为共振波长。结果与讨论在该双芯 PCF-SPR 传感器中,PCF 的空气
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