一种基于双折射的石墨烯-金涂覆的PCF折射率传感器的制作方法

一种基于双折射的石墨烯
‑
金涂覆的pcf折射率传感器
(一)技术领域
1.本发明涉及一种基于d型石墨烯
‑
金涂覆光子晶体光纤(pohotonic crystal fiber,pcf)折射率传感器，属于特种光纤、光纤传感领域。
(二)

背景技术：

2.表面等离子体共振(surface plasmon resonance,spr)，是一种发生在介质金属面上的物理现象。当一束光在纤芯内以全反射传播产生倏逝波时，倏逝波以驻波的形式穿透光纤包层激发金属产生自由电子，集体震荡的自由电子会产生沿着传播方向的等离子体波。当改变入射光波长或角度，使得等离子体波的频率等于倏逝波的频率时，就能观察到spr现象。
3.由于光子晶体光纤(pcf)结构上的多样性，表面等离子体共振传感器灵敏度高和样品无需标记，因此光子晶体光纤表面等离子共振传感器应运而生，成了近几年研究人员的研究方向。光子晶体光纤表面等离子共振(pcf
‑
spr)传感器具有优异的特性，应用在浓度测量和生物检测等众多领域。pcf
‑
spr传感方法有很多优点，例如:实现长距离的实时动态检测是利用光纤的在线传输；其结构简略、容易实现仪器的集成化，它可以进入传统型spr传感器不易进入的地方进行检测。因其优点，在spr传感领域应用中地位很高。
4.由于纤芯集中了绝大多数的能量，因此包层中的倏逝波随着离纤芯距离增大呈指数函数形式衰减。光纤通常需要抛磨掉一定深度包层和涂覆层，然后在抛磨面上镀一层金属薄膜，目的是能产生spr效应。近年来对pcf
‑
spr折射率传感器的研究越来越多，特别是d型光纤，使用金薄膜作为等离子材料也被普遍使用。2015年，rifat,a.a等人提出一种石墨烯包覆铜的光子晶体光纤等离子体生物传感器，在折射率范围1.33
‑
137，平均灵敏度达到2000nm/riu，传感精度5
×
10
‑5riu最大损耗峰值120db/cm。2018年，kai tong等人提出一种d型石墨烯涂覆银的光子晶体光纤生物传感器，在折射率范围1.34
‑
1.40，平均灵敏度达到4850nm/riu，传感精度2
×
10
‑5riu，最大损耗峰值270db/cm。2019年，bin li等人提出一种基于光子晶体光纤石墨烯增强的表面等离子体液体折射率传感器，在折射率范围1.33
‑
1.3688，平均灵敏度达到2290nm/riu，最大损耗峰值78db/cm。
5.以上分析中还存在很多改进空间，比如灵敏度不太高，传感范围窄，传感损耗比较大等缺点。而且pcf在制备上有很大困难，所以就需要设计具有高灵敏度低损耗的传感器。本设计基于研究背景设计了一种新的结构，在空气孔的排布和大小做了设计，由三个环六角形排布的空气孔组成，纤芯正交方向的空气孔尺寸不同，可以得到双折射效应。结构上还在包层部分抛磨一定深度，抛磨面平行纤芯，为了增加金薄膜表面吸附分子的能力，在金薄膜表面上沉积一层石墨烯二维材料。pcf光纤传感器的传感区域在光纤外部，可以直接接触未知溶液，避免孔内镀膜和传感测试的缺点。通过合理的设置pcf的数值孔径，金薄膜的厚度及石墨烯的层数，可以得到一个最佳灵敏度的物理参数，从而实现传感器在折射率范围内有着高灵敏度和低损耗的传感测量。而且该传感器结构和工艺简单，集成度高，是一种在测量范围内能够实现准确实时检测的实用型传感器。
(三)

技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明主要是提供一种结构简单工艺易于实现，稳定性好、分辨率高的折射率传感器。
7.本发明通过以下技术方案实现的：
8.一种基于d型石墨烯
‑
金薄膜涂覆pcf
‑
spr折射率传感器结构包层部分由三个环六角形排布的空气孔组成，第一层空气环中纤芯正交方向由直径不同的空气孔组成，大空气孔直径为d，剩余空气孔直径相同为d。通过侧边抛磨技术在pcf包层区域抛磨一定深度h形成一个抛磨面，在抛磨面上一层金薄膜，在金薄膜表面涂覆材料石墨烯，所述的二种材料在pcf的轴向延伸的平滑表面上，传感区域直接接触未知溶液。
9.近一步地，所述d型pcf的大空气孔直径d＝10um，小空气孔直径d＝0.42∧，空气孔的间距∧＝8um，所述d型金薄膜
‑
石墨烯的轴向延伸的平滑表面到其纤芯的距离为抛磨深度h＝11um，金膜的厚度为t
g
＝30
‑
50nm和石墨烯的厚度层数为l
g
＝0
‑
5。
10.近一步地，在pcf折射率传感器的传感区域外加载未知溶液，由于spr效应对未知溶液折射率变化十分敏感，当金薄膜表面未知溶液折射率发生微小变化时，损耗吸收峰对应波长位置会发生改变，我们通过测量对应共振波长位置的偏移量解调出未知溶液折射率的变化，计算出在低折射率范围内的灵敏度。
11.本文设计的d型金薄膜
‑
石墨烯的涂层pcf折射率传感器结构简单，避免了孔内镀膜的复杂工艺，pcf结构的纤芯正交方向设计大小不同的空气孔结构形成双折射，d型设计增强了纤芯产生的倏逝波向包层区域泄露。引入石墨烯的优点是不仅增加了金薄膜表面吸附分子问题，还能提高灵敏度。利用该模型结构制成的d型石墨烯
‑
金的涂覆pcf折射率传感器，在有效折射率(1.37
‑
1.42)范围内能实现高灵敏度检测，平均波长灵敏度9120nm/riu；最大波长灵敏度能到19200nm/riu，最大测量精度值5.2
×
10
‑6riu；最大共振损耗峰值5.753db/cm。
(四)附图说明
12.图1为本发明的二维截面示意图。
13.图2为本发明的金薄膜厚度变化时的损耗谱曲线图。
14.图3为只涂覆金薄膜时不同折射率随波长变化的曲线图。
15.图4为本发明不同石墨烯的层数损耗随波长变化的曲线图
16.图5为本发明涂覆石墨烯
‑
金薄膜时不同折射率随波长变化的曲线图。
17.图中标号为：(1)d型光子晶体光纤，(2)空气孔，(3)金薄膜，(4)石墨烯，(5)未知溶液，(6)完美匹配层pml。
(五)具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
19.本发明是基于d型石墨烯
‑
金涂覆的pcf折射率传感器，如图1所示，采用纤芯包层结构，背景材料是二氧化硅，该传感器由一段包层区域抛磨掉部分形成的d型pcf、金薄膜、石墨烯和未知溶液组成。包层区域由三个环六角形排布的空气孔组成，第一层空气环中纤
33.im(neff)是有效模场折射率虚部，波矢k0＝2π/λ。
34.计算灵敏度的公式为：
[0035][0036]
其中δλ
peak
为共振吸收峰波长改变量，δn为外界待测介质折射率的改变量。
[0037]
当大空气孔直径d与其他空气孔直径d差越大，产生的双折射效应越大。基于已有的优化结果，在d＝10um,和折射率1.40
‑
1.41，随着金薄膜厚度t
g
从30nm到50nm变化，损耗峰值随波长的变化如图2所示。从图中可以看出，金薄膜厚度增加，损耗峰值α逐渐减小，共振波长发生红移，相应的共振损耗峰的半高全宽(fwhm)变宽。表面等离子体波对金薄膜厚度变化非常敏感，随着金薄膜厚度增加，相位匹配点发生红移。当折射率为1.40和1.41，金薄膜厚度从30nm增加到50nm时，随着波长的增加，损耗峰值分别从6.486db/cm降低到1.940db/cm和从9.978db/cm降低到2.538db/cm。原因是由于金薄膜阻尼增大，导致耦合效率降低，在图中表现损耗峰值降低。但是金薄膜厚度太薄导致损耗峰值比较大，所以设计的传感器的金膜厚度的最优参数选择40nm。
[0038]
固定其他参数，传感器仅仅沉积厚度为40nm金薄膜时，改变未知溶液折射率，损耗峰值随波长的变化如图3所示。折射率范围1.37
‑
1.42，随着未知溶液折射率的增加，吸收共振峰的峰值发生红移。当折射n从1.37变化到1.38、1.39、1.40、1.41和1.42时，损耗峰的峰值偏移量分别为36、44、64、92和156nm。灵敏度分别为3600、4400、6400、9200和15600nm/riu。使用折射率公式计算得到，在折射率范围(n＝1.37
‑
1.42)内，最大波长灵敏度为15600nm/riu，平均灵敏度为7840nm/riu。使用分辨率0.1nm的高精度光谱仪，测得传感器的最小分辨率为1.27
×
10
‑5riu。
[0039]
固定其他参数，改变石墨烯的层数，损耗峰值随波长的变化如图4所示。当折射率为1.40或者1.41时，随着石墨烯的层数的增加，损耗峰都会出现红移且损耗峰值下降。折射率为1.40时，损耗最大值为3.878db/cm降低到2.723db/cm。折射率为1.41时，损耗最大值为5.504db/cm降低到3.686db/cm。折射率从1.40变化到1.41时，每增加一层石墨烯，共振波长都会发生偏移。石墨烯的层数l
g
从0层到1层，2层，3层，4层增加到5层，共振峰的偏移量分别为92、96、96、96、100和104nm。从结果中可以看出，当金薄膜表面涂覆5层石墨烯时，传感器的测量比较敏感，共振波长偏移量最大。
[0040]
图5显示了在金薄膜厚度40nm和石墨烯的层数l
g
＝5时，改变未知溶液折射率，损耗峰值随波长变化的损耗谱曲线图。从图中看出，当折射率从1.37增加到1.42，随着波长的增加，损耗峰发生红移，损耗峰值从1.264db/cm逐渐增加到5.714db/cm。这是因为涂覆金薄膜表面的石墨烯吸附更多的分子，使得石墨烯
‑
金薄膜的有效折射率增大，所在包层的有效折射率增大，缩小了纤芯包层的折射率差。此时纤芯对光的束缚能力减弱，更多的光泄露到包层中激发spr，所以折射率越大，石墨烯
‑
金薄膜吸附分子越多，产生的spr越强烈，损耗峰值loss越大。图中展示了未知溶液折射率从1.37至1.38、1.38至1.39、1.39至1.40、1.40至1.41和1.41至1.42时，共振峰偏移量分别为40、52、68、104和192nm。根据灵敏度公式可以计算可以得到，在折射率1.37
‑
1.42范围内，最大灵敏度为19200nm/riu，平均灵敏度为9120nm/riu，最小分辨率为5.2
×
10
‑6riu。与图3只沉积一种金薄膜材料的结果相比较(l
g
＝0时)，该设计涂覆5层石墨烯后，平均灵敏度提高了16.33％，最大灵敏度提高了23.08％。
[0041]
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。