基于D型光纤SPR折射率传感模型的制作方法

本发明属于光纤传感领域，尤其是涉及到基于表面等离子体共振(spr)的光纤传感技术，具体涉及一种基于石墨烯增强d型光纤spr折射率传感模型。

背景技术：

光纤传感器目前在世界上的研究有很多，主要分为两个研究方向：原理性研究、开发应用性研究。由于目前的光纤发展迅速，光纤种类层出不穷而且应用领域也愈来愈广，因此光纤传感器的研究也越来越受重视。

spr(surfaceplasmonresonance,表面等离子体共振)存在于金属与介质的交界区域，它是一种物理光学现象。光在介质与介质表面发生全反射时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在光密介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。两波满足一定的相干条件时，会发生共振。共振后反射光强会大幅度地减弱，能量会从光子转移到表面的等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使反射光的能量急剧减少。表面等离子体共振传感器已被广泛应用于研究生物分子间的相互作用及浓度测量。随着研究的不断深入，表面等离子体共振技术将在疾病控制、药物开发、环境监测、食品安全以及国土安全等领域具有广阔的应用前景。如果提高表面等离子体共振传感器的灵敏度，将会使其应用更广泛。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种spr折射率传感模型，利用共振波长对金属表面介质折射率变化非常敏感这一特性，实现基于d型光纤的介质折射率检测的高线性和灵敏度。

本发明的技术解决方案是：基于d型光纤spr折射率传感模型，包括单模光纤，所述单模光纤的纤芯外包裹有包层，沿单模光纤的轴向切除包层，使单模光纤形成截面为d形的光纤，在包层的切除面涂覆的石墨烯层，再在石墨烯层上涂覆银纳米层，然后在银纳米层放置待测介质。

进一步，所述银纳米层的厚度为20-50nm。

进一步，所述石墨烯层厚度为1-20nm。

进一步，所述石墨烯层与纤芯在截面竖直方向的距离为5-7μm。

进一步，所述纤芯的半径为6-12μm。

进一步，所述纤芯的折射率为1.43-1.46。

进一步，所述包层的半径为30-70μm。

进一步，所述待待测介质折射率为1.41-1.45。

本发明是采用将普通单模光纤横截面切去一部分加工成d型剖面结构，在切面先涂覆一层石墨烯层，在石墨烯层上再涂覆银纳米层的结构。银纳米层的spp模式与d型光纤基模在相位匹配条件下达到共振耦合，利用共振波长对金属表面介质折射率变化非常敏感这一特性，实现对介质折射率的检测，石墨烯层用来增强银纳米层表面等离子体共振折射率传感，在一定范围内具有高线性和灵敏度。

附图说明

图1是本发明模型结构示意图；

图2是待测介质折射率分别为1.42、1.43、1.44时，d型光纤基模损耗随波长变换曲线；

图3是本发明的d型光纤spr折射率传感特性曲线。

图中：1.纤芯，2.包层，3.石墨烯层，4.银纳米层，5.待测介质。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1至图3，基于d型光纤spr折射率传感模型，包括单模光纤，所述单模光纤的纤芯1外包裹有包层2；首先，沿单模光纤的轴向切除包层2，使单模光纤形成截面为d形的光纤，在包层2的切除面涂覆的石墨烯层3；再在石墨烯层3上涂覆银纳米层4，然后在银纳米层4放置待测介质5。光纤的纤芯1直径为8.6μm，折射率为1.4457；包层2的直径为80μm，折射率为1.4378；石墨烯层3的厚度为12nm；银纳米层4的厚度为30nm，石墨烯层3与纤芯1中心的距离为6μm。

本发明所提出的传感结构就是属于表面等离子体共振与光子晶体光纤结合传感这一类。将单模光纤切点一部分加工成d型结构，表面涂覆金属纳米层与待测介质5接触。由于金属层与纤芯1的距离很近，金属表面等离子体波与纤芯基模很容易发生共振耦合。通过理论分析得到，在金属纳米层下面增加一层石墨烯层3结构可以使得金属表面的待测介质5的折射率对这两种波共振时的入射光波长非常敏感。利用这一特性，待测介质5的折射率发生了变化或者周围环境影响了待测介质5的折射率，两波的共振波长会发生明显的平移，光纤1中的传输光损耗大小会发生改变，因此通过分析d型光纤中传输光损耗峰就可以达到传感的目的。

本发明采用d型光纤的spr折射率传感模型，利用银纳米层4的spp模式与d型光纤基模耦合，在相位匹配条件下达到共振耦合。耦合模式光部分局域在金属银纳米层4与待测介质5表面，传输过程中被金属银大量吸收，共振波长传输损耗达到峰值。而共振模式的光部分局域在待测介质5上，利用共振波长对金属表面待测介质5折射率变化非常敏感这一特性实现对介质折射率的检测。而石墨烯层3的设计有效的提高共振波长对待测介质5折射率变化的灵敏度。

如图2所示，待测介质5折射率分别为1.42、1.43、1.44时，d型光纤基模等效折射率虚部随波长变换曲线。在其峰值波长，金属纳米层spp模式与光纤基模实现完全共振耦合。传输模式等效折射率虚部可以直接反应该模式下的传输损耗，所以等效折射率虚部峰值也可以认为是传输损耗的峰值。该结构传感特性曲线如图3所示，在待测介质5折射率为1.42-1.44范围内，具有超高线性特性，灵敏度达到超过50000nm/riu。

本发明采用金属（一般为金或银）作为激发表面等离子体金属，可以由灵敏度公式计算得出其灵敏度超过50000nm/riu。将石墨烯层3和银纳米层4涂覆在d型光纤表面，待测介质5与银纳米层4接触，容易达到相位匹配，实现spp模式与光纤基模的共振耦合，通过传输损耗峰值位置确定共振波长，大大的提高了传感的效率和精度。本发明所设计的结构在光纤spr传感方面具有巨大的应用价值。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于D型光纤SPR折射率传感模型，沿单模光纤的轴向切除包层，使单模光纤形成截面为D形的光纤，在包层的切除面涂覆的石墨烯层，再在石墨烯层上涂覆银纳米层，然后在银纳米层放置待测介质。本发明银纳米层的SPP模式与D型光纤基模在相位匹配条件下达到共振耦合，利用共振波长对金属表面介质折射率变化非常敏感这一特性，实现对介质折射率的检测，石墨烯层用来增强银纳米层表面等离子体共振折射率传感，在一定范围内具有高线性和灵敏度。

技术研发人员：刘彬;梁红勤
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：2017.05.04
技术公布日：2017.09.01