基于双芯光子晶体光纤的中红外表面等离子体共振低折射率传感器

发布时间：2024-02-19 18:07

　　为了在中红外区域实现气凝胶、七氟醚(麻醉剂重要成分)等物质的折射率检测,拓展折射率检测范围,提出了一种基于双芯光子晶体光纤的表面等离子体共振低折射率传感器.光子晶体光纤由两种大小不同的空气孔围绕中心气孔构成,通过对光纤抛磨,最外侧大空气孔直接与待测物质接触,实现基于金属外涂覆的折射率实时测量.采用全矢量有限元法对该传感器的理论模型进行分析,结果表明,在1.12～1.37折射率范围内,传感器的共振波长位于中红外区域2 505～3 181nm,最高灵敏度为12 000nm/RIU,分辨率为8.33×10-6.该传感器利用中红外波段实现了低折射率检测,并且获得了超宽的检测范围和较高的灵敏度,在化工检测、生物医学传感以及水环境监测等领域具有广泛的应用前景.

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【部分图文】：

图1基于双芯光子晶体光纤的表面等离子体共振传感器的横截面示意图

基于双芯光子晶体光纤的中红外表面等离子体共振折射率传感器的横截面如图1，该结构由两种大小不同的空气孔围绕中心气孔组成．中心气孔半径为r0，大小空气孔半径分别为rw、r1，空气孔间距为Λ．将纤芯附近靠近外界的位置设计为一个大空气孔，替代原有的两个小空气孔．将纤芯左右两侧也设为大空气....

图2基模和SPP模的色散关系、模场分布以及传感器损耗谱

图2为该双芯光子晶体光纤SPR传感器的原理．从插图（a）、（b）中可以看出，在远离相位匹配波长时，基模与SPP模分别被局限在纤芯及金属膜层中．从插图（c）中可以看出，在发生相位匹配时，基模的部分能量耦合至金属膜层中传输，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....

图3不同中心气孔半径下的基模损耗谱以及基模模场分布

图3(a）为不同的中心气孔半径r0对传感器共振波长和损耗峰值的影响．由图可知，当中心气孔半径由1.6μm变化至2.2μm时，共振峰分别为2531nm、2540nm、2546nm、2550nm，呈现向长波长方向漂移的现象，且损耗峰值（177dB/cm、217dB/cm、23....

图4不同中心气孔下相位匹配处的基模有效折射率实部及共振波长

图4为不同中心气孔下相位匹配处的基模有效折射率实部及共振波长变化曲线．由图可知，当r0从1.6μm增加至2.2μm时，Δλpeak明显增加；而当r0继续增加至5.2μm时，Δλpeak仍在增加，但其变化十分微弱．可以看出随着中心气孔半径r0由1.6μm变化至5.2μm，共振波长连....

本文编号：3903108