基于周期性金属结构的光纤局域表面等离子共振传感器的制造方法
【专利摘要】一种基于周期性金属结构的光纤局域表面等离子共振传感器，有光纤纤芯和包裹在光纤纤芯两端的光纤包层和涂覆层，在光纤纤芯的传感区的外周面上设置有纳米尺度的周期性金属纳米结构。周期性金属纳米结构是在光纤纤芯传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米环状结构。周期性金属纳米结构是在光纤纤芯传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米带状结构。周期性金属纳米结构是在光纤纤芯传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米螺旋状结构。本发明激发局域表面等离子体共振效应，提高传感器的灵敏度和测量精度。通过调整金属纳米结构的尺寸，可以实现对测量灵敏度的控制，进而满足不同的应用需求。本发明在保留了光纤SPR传感器体积微小的同时具有较高的测量分辨率。
【专利说明】基于周期性金属结构的光纤局域表面等离子共振传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种等离子共振传感器。特别是涉及一种在光纤表面等离子共振传感器传感区圆周面进行周期性金属纳米环状结构或带状结构或螺旋状结构修饰的基于周期性金属纳米结构修饰的光纤局域表面等离子共振传感器。
【背景技术】
[0002]当一定波长的P偏振光透过棱镜以大于临界角入射时，会发生表面等离子共振(SPR)现象，表现出反射光能量急剧下降，此时的入射角为SPR角。如果在金属薄膜表面附着的被测物浓度的变化引起金属薄膜表面折射率的变化，从而SPR光学信号发生改变，根据这个信号，就可以获得被测物质的折射率或浓度等信息，达到实时、快速检测的目的。
[0003]表面等离子共振测量技术应用领域广泛，具有很高的研究价值和广阔的市场应用前景。传统的棱镜型SPR传感器体积较大，不便于仪器小型化，无法满足植入式测量等特殊应用需求。光纤SPR传感器虽然体积小便于集成，但测量分辨率较棱镜型SPR有所下降，因此如何在保留光纤SPR体积小的同时提高测量分辨率成为了光纤SPR的一个挑战。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在保证光纤SPR传感器体积微小的同时，提高了传感器测量分辨率的基于周期性金属纳米结构修饰的光纤局域表面等离子共振传感器。
[0005]本发明所采用的技术方案是:一种基于周期性金属结构的光纤局域表面等离子共振传感器，包括有光纤纤芯和包裹在光纤纤芯两端的光纤包层和涂覆层，在光纤纤芯的传感区的外周面上设置有纳米尺度的周期性金属纳米结构。
[0006]所述的周期性金属纳米结构是在光纤纤芯传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米环状结构。
[0007]所述的周期性金属纳米结构是在光纤纤芯传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米带状结构。
[0008]所述的周期性金属纳米结构是在光纤纤芯传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米螺旋状结构。
[0009]本发明的基于周期性金属纳米结构修饰的光纤局域表面等离子共振传感器，利用周期性金属结构在光纤SPR传感器的传感区表面进行修饰，激发局域表面等离子体共振效应(LSPR)，提高传感器的灵敏度和测量精度。通过调整金属纳米结构的尺寸，可以实现对测量灵敏度的控制，进而满足不同的应用需求。本发明在保留了光纤SPR传感器体积微小的同时具有较高的测量分辨率。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是在本发明传感器的传感区外周面上修饰周期性金属纳米环状结构的示意图；
[0011]图2是在本发明传感器的传感区外周面上修饰周期性金属纳米带状结构的示意图；
[0012]图3是在本发明传感器的传感区外周面上修饰周期性金属纳米螺旋状结构的示意图。
[0013]图中
[0014]1:光纤包层和涂覆层2:光纤纤芯
[0015]3:周期性金属纳米环状结构4:周期性金属纳米带状结构
[0016]5:周期性金属纳米螺旋状结构
【具体实施方式】
[0017]下面结合实施例和附图对本发明的基于周期性金属纳米结构修饰的光纤局域表面等离子共振传感器做出详细说明。
[0018]本发明的基于周期性金属纳米结构修饰的光纤局域表面等离子共振传感器，主要是通过在光纤纤芯的圆周面修饰金属圆环、条带和螺旋状结构，达到提高传感器测量精度和灵敏度的目的。
[0019]如图1、图2、图3所示，本发明的基于周期性金属纳米结构修饰的光纤局域表面等离子共振传感器，包括有光纤纤芯2和包裹在光纤纤芯2两端的光纤包层和涂覆层1，在光纤纤芯2的传感区的外周面上设置有纳米尺度的周期性金属纳米结构。
[0020]如图1所示，所述的周期性金属纳米结构是在光纤纤芯2传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米环状结构3。所述的周期性金属纳米环状结构3是选用宽70-100nm，周期233-333nm，厚度75_90nm的金属栅条构成。最佳选用宽80nm，周期280nm，厚度80nm的金属栅条构成。
[0021]如图2所示，所述的周期性金属纳米结构还可以是在光纤纤芯2传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米带状结构4。周期性金属纳米带状结构4是选用宽70-100nm，周期233-333nm，厚度75_90nm的金属栅条构成。最佳选用宽80nm，周期280nm，厚度80nm的金属栅条构成。
[0022]如图3所示，所述的周期性金属纳米结构还可以是在光纤纤芯2传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米螺旋状结构5。所述的周期性金属纳米螺旋状结构5可以选用周期性金属纳米环状结构3和周期性金属纳米带状结构类似的金属栅条构成。
[0023]本发明的基于周期性金属纳米结构修饰的光纤局域表面等离子共振传感器的工作原理是:待测溶液的浓度和折射率具有一定的线性关系，当待测液浓度产生变化时，折射率产生变化，表面等离子共振(SPR)现象的共振波长也将随之发生移动。因此通过检测共振波长的变化，可以间接检测出待测样品的浓度。本发明的传感器可与样品腔进行集成，实现待测液浓度测量的一体化。当束缚于周期性金属纳米结构的自由电子的震荡频率与入射光频率相匹配时，表现为对特定波长下的光子吸收和金属纳米结构表面电磁场强度增强，激发局域表面等离子共振(LSPR)现象。由于LSPR是在周期性金属纳米结构表面引起的共振效应，而SPR是在整个金属表面的共振效应，所以LSPR传感器的空间分辨率高，有更好的测量灵敏度。
[0024]根据模拟仿真的结果，综合考虑LSPR共振峰衰减深度、半波宽和灵敏度，金属环状结构和带状结构最佳选用金属栅条宽80nm,周期280nm,厚度80nm ;螺旋状结构参数同环状和带状结构类似。本发明的周期性金属纳米环状结构、周期性金属纳米带状结构和周期性金属纳米螺旋状结构修饰的光纤局域表面等离子共振传感器，对传统的传感器结构进行了改进，通过引入周期性金属结构增强传感器的灵敏度。
[0025]本发明公开和揭示的所有组合可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本
【发明内容】
、精神和范围内对本文所述的装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。
【权利要求】
1.一种基于周期性金属结构的光纤局域表面等离子共振传感器，包括有光纤纤芯(2)和包裹在光纤纤芯(2)两端的光纤包层和涂覆层(I)，其特征在于，在光纤纤芯(2)的传感区的外周面上设置有纳米尺度的周期性金属纳米结构。
2.根据权利要求1所述的基于周期性金属结构的光纤局域表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的周期性金属纳米结构是在光纤纤芯(2)传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米环状结构(3)。
3.根据权利要求1所述的基于周期性金属结构的光纤局域表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的周期性金属纳米结构是在光纤纤芯(2)传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米带状结构(4)。
4.根据权利要求1所述的基于周期性金属结构的光纤局域表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的周期性金属纳米结构是在光纤纤芯(2)传感区的外周面上修饰的周期性金属纳米螺旋状结构(5)。
【文档编号】G01N21/552GK104345047SQ201410610073
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】栗大超, 杨荻, 徐可欣 申请人:天津大学