基於周期性金屬結構的光纖局域表面等離子共振傳感器的製造方法
2023-05-29 13:21:51
基於周期性金屬結構的光纖局域表面等離子共振傳感器的製造方法
【專利摘要】一種基於周期性金屬結構的光纖局域表面等離子共振傳感器，有光纖纖芯和包裹在光纖纖芯兩端的光纖包層和塗覆層，在光纖纖芯的傳感區的外周面上設置有納米尺度的周期性金屬納米結構。周期性金屬納米結構是在光纖纖芯傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米環狀結構。周期性金屬納米結構是在光纖纖芯傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米帶狀結構。周期性金屬納米結構是在光纖纖芯傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米螺旋狀結構。本發明激發局域表面等離子體共振效應，提高傳感器的靈敏度和測量精度。通過調整金屬納米結構的尺寸，可以實現對測量靈敏度的控制，進而滿足不同的應用需求。本發明在保留了光纖SPR傳感器體積微小的同時具有較高的測量解析度。
【專利說明】基於周期性金屬結構的光纖局域表面等離子共振傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種等離子共振傳感器。特別是涉及一種在光纖表面等離子共振傳感器傳感區圓周面進行周期性金屬納米環狀結構或帶狀結構或螺旋狀結構修飾的基於周期性金屬納米結構修飾的光纖局域表面等離子共振傳感器。
【背景技術】
[0002]當一定波長的P偏振光透過稜鏡以大於臨界角入射時，會發生表面等離子共振(SPR)現象，表現出反射光能量急劇下降，此時的入射角為SPR角。如果在金屬薄膜表面附著的被測物濃度的變化引起金屬薄膜表面折射率的變化，從而SPR光學信號發生改變，根據這個信號，就可以獲得被測物質的折射率或濃度等信息，達到實時、快速檢測的目的。
[0003]表面等離子共振測量技術應用領域廣泛，具有很高的研究價值和廣闊的市場應用前景。傳統的稜鏡型SPR傳感器體積較大，不便於儀器小型化，無法滿足植入式測量等特殊應用需求。光纖SPR傳感器雖然體積小便於集成，但測量解析度較稜鏡型SPR有所下降，因此如何在保留光纖SPR體積小的同時提高測量解析度成為了光纖SPR的一個挑戰。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠在保證光纖SPR傳感器體積微小的同時，提高了傳感器測量解析度的基於周期性金屬納米結構修飾的光纖局域表面等離子共振傳感器。
[0005]本發明所採用的技術方案是:一種基於周期性金屬結構的光纖局域表面等離子共振傳感器，包括有光纖纖芯和包裹在光纖纖芯兩端的光纖包層和塗覆層，在光纖纖芯的傳感區的外周面上設置有納米尺度的周期性金屬納米結構。
[0006]所述的周期性金屬納米結構是在光纖纖芯傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米環狀結構。
[0007]所述的周期性金屬納米結構是在光纖纖芯傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米帶狀結構。
[0008]所述的周期性金屬納米結構是在光纖纖芯傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米螺旋狀結構。
[0009]本發明的基於周期性金屬納米結構修飾的光纖局域表面等離子共振傳感器，利用周期性金屬結構在光纖SPR傳感器的傳感區表面進行修飾，激發局域表面等離子體共振效應(LSPR)，提高傳感器的靈敏度和測量精度。通過調整金屬納米結構的尺寸，可以實現對測量靈敏度的控制，進而滿足不同的應用需求。本發明在保留了光纖SPR傳感器體積微小的同時具有較高的測量解析度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是在本發明傳感器的傳感區外周面上修飾周期性金屬納米環狀結構的示意圖；
[0011]圖2是在本發明傳感器的傳感區外周面上修飾周期性金屬納米帶狀結構的示意圖；
[0012]圖3是在本發明傳感器的傳感區外周面上修飾周期性金屬納米螺旋狀結構的示意圖。
[0013]圖中
[0014]1:光纖包層和塗覆層2:光纖纖芯
[0015]3:周期性金屬納米環狀結構4:周期性金屬納米帶狀結構
[0016]5:周期性金屬納米螺旋狀結構
【具體實施方式】
[0017]下面結合實施例和附圖對本發明的基於周期性金屬納米結構修飾的光纖局域表面等離子共振傳感器做出詳細說明。
[0018]本發明的基於周期性金屬納米結構修飾的光纖局域表面等離子共振傳感器，主要是通過在光纖纖芯的圓周面修飾金屬圓環、條帶和螺旋狀結構，達到提高傳感器測量精度和靈敏度的目的。
[0019]如圖1、圖2、圖3所示，本發明的基於周期性金屬納米結構修飾的光纖局域表面等離子共振傳感器，包括有光纖纖芯2和包裹在光纖纖芯2兩端的光纖包層和塗覆層1，在光纖纖芯2的傳感區的外周面上設置有納米尺度的周期性金屬納米結構。
[0020]如圖1所示，所述的周期性金屬納米結構是在光纖纖芯2傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米環狀結構3。所述的周期性金屬納米環狀結構3是選用寬70-100nm，周期233-333nm，厚度75_90nm的金屬柵條構成。最佳選用寬80nm，周期280nm，厚度80nm的金屬柵條構成。
[0021]如圖2所示，所述的周期性金屬納米結構還可以是在光纖纖芯2傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米帶狀結構4。周期性金屬納米帶狀結構4是選用寬70-100nm，周期233-333nm，厚度75_90nm的金屬柵條構成。最佳選用寬80nm，周期280nm，厚度80nm的金屬柵條構成。
[0022]如圖3所示，所述的周期性金屬納米結構還可以是在光纖纖芯2傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米螺旋狀結構5。所述的周期性金屬納米螺旋狀結構5可以選用周期性金屬納米環狀結構3和周期性金屬納米帶狀結構類似的金屬柵條構成。
[0023]本發明的基於周期性金屬納米結構修飾的光纖局域表面等離子共振傳感器的工作原理是:待測溶液的濃度和折射率具有一定的線性關係，當待測液濃度產生變化時，折射率產生變化，表面等離子共振(SPR)現象的共振波長也將隨之發生移動。因此通過檢測共振波長的變化，可以間接檢測出待測樣品的濃度。本發明的傳感器可與樣品腔進行集成，實現待測液濃度測量的一體化。當束縛於周期性金屬納米結構的自由電子的震蕩頻率與入射光頻率相匹配時，表現為對特定波長下的光子吸收和金屬納米結構表面電磁場強度增強，激發局域表面等離子共振(LSPR)現象。由於LSPR是在周期性金屬納米結構表面引起的共振效應，而SPR是在整個金屬表面的共振效應，所以LSPR傳感器的空間解析度高，有更好的測量靈敏度。
[0024]根據模擬仿真的結果，綜合考慮LSPR共振峰衰減深度、半波寬和靈敏度，金屬環狀結構和帶狀結構最佳選用金屬柵條寬80nm,周期280nm,厚度80nm ;螺旋狀結構參數同環狀和帶狀結構類似。本發明的周期性金屬納米環狀結構、周期性金屬納米帶狀結構和周期性金屬納米螺旋狀結構修飾的光纖局域表面等離子共振傳感器，對傳統的傳感器結構進行了改進，通過引入周期性金屬結構增強傳感器的靈敏度。
[0025]本發明公開和揭示的所有組合可以通過借鑑本文公開內容產生，儘管本發明的組合已通過詳細實施過程進行了描述，但是本領域技術人員明顯能在不脫離本
【發明內容】
、精神和範圍內對本文所述的裝置進行拼接或改動，或增減某些部件，更具體地說，所有相類似的替換和改動對本領域技術人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發明精神、範圍和內容之中。
【權利要求】
1.一種基於周期性金屬結構的光纖局域表面等離子共振傳感器，包括有光纖纖芯(2)和包裹在光纖纖芯(2)兩端的光纖包層和塗覆層(I)，其特徵在於，在光纖纖芯(2)的傳感區的外周面上設置有納米尺度的周期性金屬納米結構。
2.根據權利要求1所述的基於周期性金屬結構的光纖局域表面等離子共振傳感器，其特徵在於，所述的周期性金屬納米結構是在光纖纖芯(2)傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米環狀結構(3)。
3.根據權利要求1所述的基於周期性金屬結構的光纖局域表面等離子共振傳感器，其特徵在於，所述的周期性金屬納米結構是在光纖纖芯(2)傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米帶狀結構(4)。
4.根據權利要求1所述的基於周期性金屬結構的光纖局域表面等離子共振傳感器，其特徵在於，所述的周期性金屬納米結構是在光纖纖芯(2)傳感區的外周面上修飾的周期性金屬納米螺旋狀結構(5)。
【文檔編號】G01N21/552GK104345047SQ201410610073
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】慄大超, 楊荻, 徐可欣 申請人:天津大學