一种基于复合传感层的D型光纤表面等离子体共振折射率传感器

一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器
技术领域
1.本实用新型涉及光纤传感器领域，尤其涉及一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器。


背景技术：

2.光纤具有抵抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、体积小、重量轻等诸多优势，这使得光纤传感器可应用于对各种复杂外部条件(如高温高压、强腐蚀、有毒气体环境等)进行检测。目前相关技术被广泛应用于溶液折射率测定、气体浓度及成分检测以及生物成分的医疗检测等领域。
3.折射率作为评定物质品质好坏的重要标准，已普遍应用于食品质量、医疗诊断与环境监测等领域。例如，通过检测环境废水的折射率，分析其组成成分，可对环境状况进行评价。传统基于光纤传感测定折射率的常用方式有迈克尔逊法，法布里玻罗—干涉法，马赫—曾德干涉法等，其本身结构及性能的限制，无法在实现普遍应用。光纤表面等离子体传感器是基于表面等离子体共振技术，用于测量分析物折射率的光纤传感器，其性能远超传统光纤传感器。
4.基于传统技术的传感器其具有以下缺点：
5.1.折射率检测范围小；
6.2.检测灵敏度不高；
7.3.稳定性不高。
8.因此，有必要提供一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器解决上述技术问题。


技术实现要素：

9.针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器。
10.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器，包括透明外壳和单模光纤，还包括传感区和多模纤芯机构，所述传感区的内部设置有多模纤芯机构，所述多模纤芯机构的两侧均设置有透明外壳，每组所述透明外壳的内部均设置有单模光纤。
11.在本实用新型提供的一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器中，所述多模纤芯机构包括外层、二硫化钼层、银膜层、包层和纤芯本体，所述外层的内侧表面设置有二硫化钼层，所述二硫化钼层的内侧表面设置有银膜层，所述银膜层的内侧表面设置有包层，所述包层的内部设置有纤芯本体。
12.在本实用新型提供的一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器中，所述单模光纤的纤芯直径定义为dcore，包层直径定义为dcladding，l代表传感器
传感区长度，其中dcore＝8μm，dcladding＝8.8μm，l＝0.1cm，ncore＝1.4437，ncladding＝1.4377，thicknessag＝45nm。
13.在本实用新型提供的一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器中，所述二硫化钼层厚度为10nm。
14.与相关技术相比较，本实用新型提供的一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器具有如下有益效果：
15.本实用新型提供一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器，通过设计两种增敏材料复合结构的光纤spr传感器，能有效防止金属层被氧化，并在特定的偏振状态下与倏逝波有效耦合，于介质层表面激发出极强的等离子体振荡，使得传感器对外界折射率响应的灵敏度远超单层结构的传感器，实现更大范围的监测，另外，增敏材料对生物分子有更好的吸附作用，可提升生物检测精度。
16.本实用新型提供一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器，该设计基于spr技术，以光纤作为传感器载体，检测方式更加便捷；特殊金属层与增敏材料复合的等离子体波激发结构，在为传感器提供较高信噪比和灵敏度的同时，具备更大的折射率检测范围，可适用于较大的动态范围生化检测；依托更易操作的光谱检测法，减弱外界因素对传感器的影响，提升检测结果的可靠性。
17.本实用新型提供一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器，具有体积小、高集成度，基于侧抛光纤的光纤spr传感器，具备更微小的空间尺寸，通用性强，不仅在传感器阵列以及光学集成方面有很大优势，而且测技术数据分析能力更强
附图说明
18.图1为本实用新型提供的一种较佳实施例的结构示意图；
19.图2为本实用新型多模纤芯机构结构示意图；
20.图3为本实用新型入射光、反射光、折射光光波矢量关系图；
21.图4为本实用新型倏势场原理示意图；
22.图5为本实用新型金属与介质组合界面图；
23.图6为本实用新型spr传感器的谐振波长随环境折射率的变化图；
24.图7为本实用新型透射峰半高全宽图；
25.图8为本实用新型comsol建模过程示意图；
26.图9为本实用新型电磁波频域基本组成与模型散射边界区域图；
27.图10为本实用新型细化处理后的几何模型图；
28.图11为本实用新型模式分析求解基本设置图；
29.图12为本实用新型二硫化钼结构图；
30.图13为本实用新型银膜+二硫化钼的光纤spr传感器结构图；
31.图14为本实用新型comsol仿真网格抛分图和光纤spr传感器模场分布图；
32.图15为本实用新型不同外界折射率，光纤spr传感器光谱图；
33.图16为本实用新型光纤spr传感器灵敏度图。
34.图中标号：1、透明外壳；2、单模光纤；3、传感区；4、多模纤芯机构；401、外层；402、二硫化钼层；403、银膜层；404、包层；405、纤芯本体。
具体实施方式
35.为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的典型实施例。
36.实施例一：
37.如图1所示，本实用新型的一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器，包括透明外壳1和单模光纤2，还包括传感区3和多模纤芯机构4，传感区3的内部设置有多模纤芯机构4，多模纤芯机构4的两侧均设置有透明外壳1，每组透明外壳1的内部均设置有单模光纤2。
38.如图2所示，多模纤芯机构4包括外层401、二硫化钼层402、银膜层403、包层404和纤芯本体405，外层401的内侧表面设置有二硫化钼层402，二硫化钼层402的内侧表面设置有银膜层403，银膜层403的内侧表面设置有包层404，包层404的内部设置有纤芯本体405，通过设计两种增敏材料复合结构的光纤spr传感器，能有效防止金属层被氧化，并在特定的偏振状态下与倏逝波有效耦合，于介质层表面激发出极强的等离子体振荡，使得传感器对外界折射率响应的灵敏度远超单层结构的传感器，实现更大范围的监测，另外，增敏材料对生物分子有更好的吸附作用，可提升生物检测精度，该设计基于spr技术，以光纤作为传感器载体，检测方式更加便捷；特殊金属层与增敏材料复合的等离子体波激发结构，在为传感器提供较高信噪比和灵敏度的同时，具备更大的折射率检测范围，可适用于较大的动态范围生化检测；依托更易操作的光谱检测法，减弱外界因素对传感器的影响，提升检测结果的可靠性。
39.进一步地，在本实用新型一实施例中，如图2所示，单模光纤(2)的纤芯直径定义为dcore，包层(404)直径定义为dcladding，l代表传感器传感区(3)长度，其中dcore＝8μm，dcladding＝8.8μm，l＝0.1cm，ncore＝1.4437，ncladding＝1.4377，thicknessag＝45nm，二硫化钼层(402)厚度为10nm。
40.本实用新型提供的一种基于复合传感层的d型光纤表面等离子体共振折射率传感器的工作原理及其证明过程如下：
41.2光纤spr传感理论分析
42.2.1光波导的传播特性分析
43.2.1.1光波的传播性质
44.1、电磁波的波动方程探究
45.电场和磁场的波动方程可被分别表示为：
[0046][0047][0048]
通过进一步的讨论可以发现由于大部分的光波导都为绝缘材料，因此其电导率σ＝0，因此，可对以上两式子进行化简：
[0049]
[0050][0051]
其中r代表空间中任一点的矢径，t代表时间，式(2-3)和式(2-4)表示了绝缘无源自由空间中电磁波传播的波动方程形式。
[0052]
二维平面电磁波
[0053]
电磁波与矢径r同向传播，且在与r垂直的平面上电场强度均匀分布，以频率为o做正弦震荡的交变平面电磁波其电场解可以表示成：
[0054]
e(r,t)＝e0e
i(k
·
r-ωt)
(2-5)
[0055]
其中，e代表电场的振幅，t代表电磁波的波矢，传播方向与电磁波相同，该平面电磁波在介质中的传播速度可表示为：
[0056][0057]
在真空中，电磁场的传播速度为：
[0058][0059]
则电磁波在介质中另外的表示形式为：
[0060][0061]
对式(2-5)求散度，可以得知磁场的波动是横波。
[0062]
2.1.2光波反射与折射的电磁场分析
[0063]
由于spr效应的实质是光纤与金属层界面处发生，因此在展开具体研究前，先着重讨论光波的反射与折射理论，在两种介质的界面处，电磁场的连续性方程可以表示为：
[0064]
t
·
(e
1-e2)＝0(2-9)
[0065]n·
(b
1-b2)＝0(2-10)
[0066]n·
(d
1-d2)＝σ
12
(2-11)
[0067]
t
·
(h
1-h2)＝js(2-12)
[0068]
式中的σ12和js分别表示电荷密度和电流密度。
[0069]
由上式可得，电磁场的连续条件由电感和磁感的法向分量在界面上连续构成，且电磁场切向分量于界面连续。
[0070]
当两种传播介质是透明且各向同性时，入射光、反射光和折射光均为平面电磁波，电场分量为：
[0071][0072]
其中，el表示电场强度，e0l为振幅，kl则是光波矢量，x为矢径，ωi为光波的频率，t表示的是时间，其中入射光，反射光，折射光光波矢量满足如下关系，如图3所示，对于一束光波，在考虑其电场的偏振方向时，可将其电场振动分为p偏振和s偏振，通过图3可以得出，p偏振分量可以分解成x和z方向的振动分量，但s偏振分量只沿着y方向。
[0073]
2.2光纤spr传感理
[0074]
2.2.1倏逝波机理
[0075]
通过上节对电磁场在界面上连续条件的讨论得知，在两种不同介质的界面上电场和磁场不会轻易中断，即全反射时光波先入射到光疏介质中，然后再以对称的光路返回光密介质。在光疏介质中传输的电磁波是呈指数衰减的因此称其为倏逝波，以下将对其机理进行讨论。
[0076]
其中，透射函数可以表示为：
[0077][0078]
即：
[0079][0080]
其中，k2是代表折射波的波矢量。
[0081]
令n2/n1＝n时，可得到：
[0082][0083]
透射函数可表示为：
[0084][0085]
由于乘积项使得透射函数e2趋于无无穷，不满足相关规律，因此将其刨除，简化得到：
[0086][0087]
其中指数项会随着z方向上距离的增大而呈指数递减，即代表透射波(倏逝波)的振幅会随着z方向上距离的增大而呈指数衰减，如图4所示，在介质1与介质2界面处倏逝波振幅的传播距离定义为传播深度为：
[0088][0089]
如图4所示。
[0090]
2.2.2表面等离子体波机理
[0091]
金属与介质所构成的组合界面如图5所示，以z轴方向为法线方向，x轴方向标定为表面等离子波的传播方向，其中z《0区域表示金属材料界面，设其介电常数为ε1，z》0的区域代表介质材料界面，设其介电常数为ε2，tm模式的波动方程可表示为：
[0092][0093]
进一步当z》0时，求解tm模式的特征解为：
[0094][0095][0096]
[0097]
当z《0时，求解tm模式的特征解为：
[0098][0099][0100][0101]
其中，a1和a2分别代表电磁场在金属界面和介质界面处的振幅，k1和k2分别代表垂直两交界面的波矢，β代表着表面等离子体波的传播常数，ω代表入射光波的频率，z代表着透射深度，依据电磁场的边界条件hy,εez在z＝0处等价，可得：
[0102][0103]
如图5所示：
[0104]
由于hy满足tm模式的波动方程，且有：
[0105][0106][0107]
由上两式可推得表面等离子体波的色散关系为：
[0108][0109]
通过上述分析可推得结论，激发tm偏振态传播模式的条件为金属与介质的介电常数相反。
[0110]
下面讨论te模式情况，当z》0时，求解te模式的特征解为：
[0111][0112][0113][0114]
当z《0时，求解te模式的特征解为：
[0115][0116][0117][0118]
满足该边界连续的条件为：
[0119]
a1(k1+k2)＝0(2-37)
[0120]
根据式(2-37)知，将电磁波局限在金属与介质的界面处，必须满足re[k1]》0且re
[k2]》0，易得，只有a1＝a2时满足上述条件，但由式(2-31)—(2-26)可知，该情况不成立，因此，在金属和介质的界面上te偏振态模式是无法激发表面等离子体波的。
[0121]
2.3光纤spr传感机理
[0122]
由于光在光纤中发生全反射产生的倏逝波和激发金属表面电子振荡所产生的表面等离子体波，当两个电磁波具有相同的频率，波矢和传播方向时将会引起表面等离子体共振即是spr效应，入射光波能量将被大幅度吸收，从其透射光谱可观察到一个非常明显的损耗峰，损耗峰的位置与外界环境的物理参量密切相关，因此可以通过观察损耗峰位置的变化进一步探测外界环境的变化如图6所示，倏逝波的波矢为：
[0123][0124]
表面等离子体波的波矢为：
[0125][0126]
在上两式中，c表示光速，ω代表入射光波的频率，θ表示入射光波的入射角，
[0127]
ε0代表光纤纤芯的介电常数，ε1代表光纤包层的介电常数，ε2代表外界环境的介电常数。当入射光波满足一定的入射角，波长为一个适当值时则会有k
x
＝k
sp
，即为：
[0128][0129]
这时，倏逝波与表面等离子体波达成共振，入射光的能量将被大幅度吸收。
[0130]
由式(2-40)可推共振波长与角度的关系为：
[0131][0132]
2.4光纤spr传感器性能
[0133]
灵敏度定义为待测物理量与已知物理量的比值，在spr传感测量中光谱所获得的相关信息量是待测量(入射角θ，入射光波长λ)，已知量是所需传感探测的信息量(待测物折射率n，待测物浓度c)，spr传感器灵敏度公式：
[0134][0135]
共振吸收峰的半高全宽(fwhm)在波长的最大值和最小值都存在时才有意义，定义为通过峰高的中点作平行于峰底的直线，此直线与峰两侧相交两点之间的距离。
[0136]
品质因子(fom)为s与fwhm的比值，是对传感器性能的综合评估，即为：
[0137][0138]
如图7所示。
[0139]
2.5 comsol的基本仿真流程
[0140]
本文操作有限元仿真软件comsol对设计的光纤spr传感器展开仿真，具体操作步骤如下：构建分析模型
[0141]
comsol可对二维及三维模型进行仿真设计，但三维模型的计算时间和复杂度要比二维模型的高得多，考虑到节省计算时间成本和不必要的工作量，本文选择在二维平面上对本文设计的光纤spr传感器进行仿真分析(对仿真结果并无影响)，具体步骤包括：设置研究模块(光学、电磁场频域、模式分析)、设置固定参量(结构参数等)、设置材料相关物理量如图8所示。
[0142]
(2)光纤spr传感器所处物理场设置
[0143]
光纤spr传感器所处研究物理场为电磁场，由于其他大多数的物理量均为定值，通过设置电磁场物理量，特别是边界条件，满足模式分析方程条件，即为相应的偏微分方程，如图9所示。
[0144]
(3)光纤spr传感器所处物理场设置
[0145]
光纤spr传感器所处研究物理场为电磁场，由于其他大多数的物理量均为定值，通过设置电磁场物理量，特别是边界条件，满足模式分析方程条件，即为相应的偏微分方程，如图10所示。
[0146]
(4)求解器设置
[0147]
对输出波长范围进行参数化扫描设置中，主要研究的参量为有效模式折射率，所得结果可能是基膜或高阶模。本文期望得到的理想结果是基膜情况下的有效模式折射率，因此设置所需模式数为5，按照纤芯的折射率作为模式搜索基准值进行求解，最后进行计算求解，如图11所示。
[0148]
二硫化钼材料传感特性分析：
[0149]
类石墨烯mos2因其具有高的电子迁移率、大的开/关电流比和电流承载能力等优点，同时是直接带隙半导体材料。其电子迁移率目前可达200cm-2v-1s-1，在光纤spr传感领域具有很强的应用前景，如图12所示。
[0150]
二硫化钼介电常数通过查阅相关文献可得：
[0151][0152]
其中c2为定值11.9。
[0153]
4.3基于银膜+二硫化钼的光纤spr传感器研究
[0154]
4.3.1传感器结构设计
[0155]
设定单模光纤的纤芯直径定义为dcore，包层直径定义为dcladding，l代表传感器传感区长度。其中dcore＝8μm，dcladding＝8.8μm，l＝0.1cm，ncore＝1.4437，ncladding＝1.4377，thicknessag＝45nm，二硫化钼厚度为10nm，如图13所示。
[0156]
4.3.2传感器折射率传感性能特性研究
[0157]
设定dcore＝8μm，dcladding＝8.8μm，l＝1mm，ncore＝1.4437，ncladding＝1.4377，thicknessag＝45nm，二硫化钼厚度为10nm，利用comsol进行继续仿真分析，传感器二维网格抛分图如图14所示，在环境介质折射率取到1.385情况下，如图14所示，可以看出在银膜表面涂覆二硫化钼后，光纤与金膜界面表面处的电场强度被增强。
[0158]
下面讨论涂覆二硫化钼后光纤spr传感器的折射率响应情况，设定外界折射率从0.35开始，以0.05步长增加到1.4，spr共振峰随着外界环境变化的变化情况如图15所示。可以看出变化规律与涂覆石墨烯的变化规律相似，随着外界折射率的不断增加，spr透射光谱向长波方向移动。穿透深度在外界环境折射率为1.35—1.385范围内不断加深，在折射率为
1.385处达到峰值，在1.385—1.40范围内开始不断小幅度变浅。
[0159]
利用二次拟合工具对spr透射谱共振峰随外界折射率的变化进行拟合，结果如图16所示，拟合系数可达99.8％，拟合关系式为y＝50512.78x2-133665.92x+89016.21，环境介质折射率取到1.38，1.39，140处的折射率灵敏度分别可达5749.359nm/riu，6759.614221nm/riu，7769.86985nm/riu。
[0160]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。