一种双功能层涂覆光子晶体光纤的折射率传感器

1.本发明涉及光子晶体光纤技术领域，特别涉及一种双功能层涂覆光子晶体光纤的折射率传感器。


背景技术：

2.传统光纤存在损耗率偏大、导波模式单一等缺点；光子晶体光纤(pcf)通过设计不同的空气孔排布模式以改善导波性能，从而具有传统光纤无法比拟的优越性。而针对不同应用场景的结构优化设计仍是光子晶体光纤亟待解决的重、难点。
3.在光子晶体光纤的空气孔、槽或者抛光表面上涂覆贵金属，由于导波模式与金属表面上的电荷密度振荡的耦合，当传输电磁波能量转移到金属表面的等离子体激元共振模式(spr)时，纤芯模式会发生剧烈的共振损耗。在某些波长下，只有当纤芯模式的传播常数与spr模式匹配时，才会发生共振，spr模式可由金属的介电常数，周围介电材料折射率(ri)和光子晶体光纤的配置进行调制。因此，随着介电材料ri值的变化，即用不同材料填充金属涂层的pcf的气孔，共振损耗发生在不同的波长区间。从这个角度来看，金属涂层可以作为光子晶体光纤ri传感的有效功能层进行深入研究。
4.然而，仅具有一种金属涂层的pcf对于特定溶液的折射率分辨率较低，难以实现更高程度的纤芯模式与金属层的共振耦合或共振波长偏移，从而需要从pcf结构设计、多功能层涂覆等角度提高光子晶体光纤ri传感器的探测灵敏度。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双功能层涂覆光子晶体光纤的折射率传感器。
6.具体的，本发明提供的一种双功能层涂覆光子晶体光纤的折射率传感器，包括：光子晶体光纤，所述光子晶体光纤包括纤芯和设置在所述纤芯外围的周期性气孔，所述光子晶体光纤为三角晶格光子晶体光纤或d形光子晶体光纤，金和cspbbr3量子点依次覆于所述光子晶体光纤至少一个环绕纤芯的中心气孔的侧壁，或所述金和cspbbr3量子点依次覆于所述光子晶体光纤的轴向侧抛面。
7.本发明提供的双功能层涂覆光子晶体光纤优选为cspbbr3量子点/金双层涂覆光子晶体光纤。
8.本发明设计的cspbbr3量子点/金双功能层涂覆光子晶体光纤折射率传感器，通过结构优化提高了折射率传感器灵敏度，能够更准确地对分析物的折射率进行测定。
9.本发明中，金层具有良好的化学稳定性，在可见光区具有高的spr强度，卤化铅钙钛矿量子点在整个可见光区具有高消光系数和与金的高效激元-等离子体耦合能力，钙钛矿量子点和金的异质结构双涂层可以通过提高谐振波长下从纤芯模式到金层的能量传递，有效地提升基于pcf的ri传感器的探测灵敏度。在卤化铅族钙钛矿量子点材料中，cspbbr3量子点表现出优异的耐湿热性能，能更好地适用于ri传感器对于液态介质的折射率探测。
本发明进一步优化调整cspbbr3量子点层数、金层厚度和中心孔直径等几何参数，使得ri传感器具有更好的灵敏度和半高全宽值。
10.根据本发明，所述光子晶体光纤的纤芯是由位于规则网格中结点上的圆形空气孔围绕的高折射率芯区；所述光子晶体光纤的包层是由背景材料的规则网格结点上空气孔结构形成的低折射率区域。
11.作为优选，所述金的层厚为20～50nm。
12.进一步优选，所述cspbbr3量子点的层数为1～3。本发明中，采用优化的金层厚度和量子点层数能提高纤芯导波模式损失谱峰值强度并降低半峰全宽值，从而使得折射率测量有更高的分辨率。
13.进一步优选，当所述光子晶体光纤为三角晶格光子晶体光纤时，所述金和cspbbr3量子点依次覆于所述包层内的至少一个空气孔的侧壁上，优选为最内层的6个中央气孔的侧壁上；当所述光子晶体光纤为d形光子晶体光纤时，金和cspbbr3量子点依次覆于所述光子晶体光纤的轴向侧抛面。
14.根据本发明提供的双功能层涂覆光子晶体光纤的折射率传感器，所述光子晶体光纤为三角晶格光子晶体光纤；所述光子晶体光纤的气孔直径相同，相邻气孔的间距相等，每三个相邻气孔在光纤截面呈正三角形结构排列，所述中心气孔的侧壁依次涂覆金层和cspbbr3量子点。
15.进一步优选，所述光子晶体光纤为三角晶格光子晶体光纤；在所述光子晶体光纤的背景材料上按照规则网格结点布置有一组空气孔结构，其中六个中央气孔按照正六边形排列；其余相邻气孔在光纤截面呈三角结构排列，各层气孔总体按照正六边形排列。
16.进一步优选，所述三角晶格光子晶体光纤的气孔直径d为1.2～1.8微米，相邻气孔距离l为2～3微米；更优选的，所述三角晶格光子晶体光纤的气孔直径d为1.53微米，相邻气孔距离l为2.55微米。采用这样的结构设计使光纤具有更低的损耗谱。
17.根据本发明提供的双功能层涂覆光子晶体光纤的折射率传感器，所述光子晶体光纤为d形光子晶体光纤，光纤截面呈d形，在光子晶体光纤的背景材料上按照规则网格结点布置有一组空气孔结构，中央气孔数量为一个，相邻气孔在光纤截面按照三角形排列，金层和cspbbr3量子点依次覆于光子晶体光纤的轴向侧抛面。
18.进一步优选，所述光子晶体光纤为d形光子晶体光纤，所述光纤的包层是由背景材料的规则网格结点上空气孔结构形成的低折射率区域，位于纤芯周围，所述包层由内包层和位于所述内包层外侧的外包层组成，内包层有一个中央气孔。
19.进一步优选，所述光子晶体光纤为d形光子晶体光纤，在光子晶体光纤的背景材料上按照规则网格结点布置有一组空气孔结构，中央气孔数量为一个，与所述中央气孔相邻的第一层周围气孔的数量为四个，相邻气孔在光纤截面按照三角形排列，所述d形光子晶体光纤的中央气孔直径小于周围气孔。
20.本发明为了进一步提高折射率传感器灵敏度，对三角晶格光子晶体光纤和d形光子晶体光纤的结构进行了优化，调整了中心气孔直径和中心气孔与相邻气孔之间的距离。
21.进一步优选，所述d形光子晶体光纤的中心气孔直径a为0.2～0.6微米，周围气孔直径b为1.2～2微米，相邻气孔距离m为0.2～0.6微米，更优选的，所述d形光子晶体光纤的中心气孔直径a为0.4微米，周围气孔直径b为1.6微米，相邻气孔距离m为0.4微米。
22.根据本发明提供的所述双功能层涂覆光子晶体光纤的折射率传感器，所述纤芯的材料与包层的背景材料相同；所述纤芯的材料和所述包层的背景材料选自熔融石英。
23.作为优选，采用原子层沉积的方式沉积金层薄膜，采用溶胶凝胶法形成cspbbr3量子点薄膜。
24.本发明中，钙钛矿量子点(qds)cspbbr3/金之间的激子-等离子体有效耦合，对量子点/金双功能层涂覆的三角晶格pcfs和d形晶格pcfs作为折射率传感器进行数值模拟。本发明进一步优化qds和金层的厚度以及pcfs中心孔直径，在ri(等效折射率)为1.26到1.34区间，提供最佳结构设计，得到了最佳品质因数。另外结构优化使得损耗谱的半峰全宽(fwhm)变窄，从而提高了分析物的识别精度，而通过进一步的钙钛矿量子点材料的选择，可以有效检测更多分析物。
25.根据本发明的优选实施方式，d形光子晶体光纤具有更低的损耗谱。d形光子晶体光纤最佳结构为金层厚度30nm，量子点层数为2层。中心气孔直径0.4微米，除中心气孔之外的其他气孔直径均为1.6微米。三角晶格光子晶体光纤最佳结构设计为量子点层数为2层，金层厚度为30nm，中心气孔直径为1.53微米，相邻气孔距离为2.55微米。
26.本发明的有益效果至少在于：本发明设计的cspbbr3量子点/金双功能层涂覆光子晶体光纤，通过结构优化提高了对于填充至光纤空气孔中的液体的折射率探测灵敏度，通过采用本发明所设计的双功能层涂覆光子晶体光纤的传感器能够更好的对不同分析物的折射率进行测定。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图作简单介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明提供的三角晶格光子晶体光纤设计概念图；
29.图2为本发明提供的d形光子晶体光纤设计概念图；
30.图3为本发明提供的不涂覆量子点三角晶格光子晶体光纤不同金层厚度设计下损耗谱模拟结果；
31.图4为本发明提供的涂覆两层量子点三角晶格光子晶体光纤不同金层厚度设计下损耗谱模拟结果；
32.图5为本发明提供的金层厚度30nm三角晶格光子晶体光纤不同量子点层数设计下损耗谱模拟结果；
33.图6为本发明提供的金层涂覆的d形光子晶格晶体光纤在不涂覆量子点和涂覆量子点不同设计下损耗谱模拟结果；
34.图7为本发明提供的三角晶格光子晶体光纤不涂覆量子点在不同中心孔直径设计下损耗谱模拟结果；
35.图8为本发明提供的三角晶格光子晶体光纤涂覆量子点/金双功能层在不同中心孔直径设计下损耗谱模拟结果；
36.图9为本发明提供的金涂覆三角晶格光子晶体光纤在涂覆与不涂覆量子点设计下
改变中心孔直径半峰全宽模拟结果。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
38.实施例1
39.如图1所示为本发明实施例提供的三角晶格光子晶体光纤示意图，本实施例提供的一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器，包括纤芯和包层，配备光强或波长测试计。
40.上述的晶体光纤结构为：中心气孔直径1.53微米，和相邻气孔距离为2.55微米。中心气孔侧壁首先涂覆金层，然后涂覆cspbbr3量子点，金层厚度为50nm，量子点层数为2层。
41.上述的传感器：采用强度测量模式和波长测量模式，强度测量模式下pcf传感器配备光功率计，波长测量模式下pcf传感器配置光谱仪。
42.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器的制备方法，具体步骤为：对于金层，可采用原子层沉积技术在光纤孔侧壁上沉积薄膜，金层厚度为50nm。对于量子点层，通过毛细管力将胶体量子点溶液吸取到pcf空气孔中，溶剂蒸发后形成量子点薄膜。
43.本实施例提供的上述传感器，通过调节中央六个空气孔的直径，进一步提高了对填充至空气孔中的溶液折射率的探测灵敏度。
44.实施例2
45.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器制备方法同实施例1，采用同实施例1的结构和方法，区别之处仅在于将金层厚度改为40nm。
46.实施例3
47.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器制备方法同实施例1，采用同实施例1的结构和方法，区别之处仅在于将金层厚度改为30nm。
48.实施例4
49.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器制备方法同实施例1，采用同实施例1的结构和方法，区别之处仅在于将金层厚度改为20nm。
50.实施例5
51.如图1所示为本发明实施例提供的三角晶格光子晶体光纤示意图，本实施例提供的一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器，包括纤芯和包层，配备光强或波长测试计。
52.上述的晶体光纤结构为：中心气孔直径1.53微米，和相邻气孔距离为2.55微米。中心气孔侧壁首先涂覆金层，然后涂覆cspbbr3量子点，金层厚度为30nm，量子点层数为3层。
53.上述的传感器：采用强度测量模式和波长测量模式，强度测量模式下pcf传感器配备光功率计，波长测量模式下pcf传感器配置光谱仪。
54.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感模拟器的制备方法，具体步骤为：对于金层，可采用原子层沉积技术在光纤孔侧壁上沉积薄膜，金层厚度为30nm。对于量子点层，通过毛细管力将胶体量子点溶液吸取到pcf空气孔中，溶剂蒸发后形成量子点薄膜。
55.实施例6
56.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器制备方法同实施例5，采用同实施例1的结构和方法，区别之处仅在于将量子点层数改为1层。
57.实施例7
58.如图2所示为本发明提供的d形光子晶体光纤设计示意图；本实施例提供的一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆d形晶格光子晶体光纤折射率传感器，包括纤芯和包层，配备光强或波长测试计。
59.上述的晶体光纤结构为：横截面为d形。中心气孔直径0.4微米，除中央气孔之外的其他气孔直径为1.6微米，非中央气孔间的距离为0.4微米。d形光纤的轴向侧抛平面涂覆金层，然后涂覆cspbbr3量子点。本实施例具体的量子点层数为2，金层厚度为30nm。
60.上述的传感器：采用强度测量模式和波长测量模式，强度测量模式下配备光功率计，波长测量模式下配备光谱仪。
61.上述的传感器：通过调节中央空气孔的直径，提高了对填充至空气孔中的溶液折射率的探测灵敏度。
62.实施例8
63.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器制备方法同实施例7，采用同实施例1的结构和方法，区别之处仅在于将量子点厚度层数改为1层。
64.对比例1
65.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器制备方法同实施例1，不同的是没有涂覆量子点。
66.对比例2
67.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器制备方法同实施例2，不同的是没有涂覆量子点。
68.对比例3
69.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器制备方法同实施例3，不同的是没有涂覆量子点。
70.对比例4
71.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆三角晶格光子晶体光纤折射率传感器制备方法同实施例4，不同的是没有涂覆量子点。
72.对比例5
73.一种cspbbr3量子点/金双功能层涂覆d形晶格光子晶体光纤折射率传感器制备方法同实施例7或8，不同的是没有涂覆量子点。
74.图4为实施例1-4的损耗谱模拟结果，由图4可见，限定量子点层数为两层，在30nm金层厚度的情况下具有最小的损耗谱。图3为对比例1-4的损耗谱模拟结果，由图3和图4对
比可见，光子晶体光纤涂覆量子点的情况下损耗谱峰值强度远远高于不涂覆量子点的损耗谱。图5为实施例3、5、6的损耗谱，由图5可见，光子晶体光纤在限定金层厚度为30nm，涂覆两层量子点时损耗谱峰值强度最大。图6为实施例7和对比例5的损耗谱，由图6可见，d形光子晶体光纤涂覆量子点时与不涂覆量子点层相比，具有更为明显的损耗谱，即峰值损耗更大。图7为对比例3的损耗谱，通过改变中心空气孔的直径，由图7可见，三角晶格光子晶体光纤在不涂覆量子点，金层厚度为30nm时，中心孔直径为2.55微米损耗谱峰值强度最大。
75.图8为实施例3的损耗谱，三角晶格光子晶体光纤涂覆两层量子点，金层厚度为30nm，通过改变中心空气孔的直径，由图8可见，中心孔直径1.53微米对应的损耗谱峰值强度最大。
76.图9为实施例3的损耗谱半峰全宽值模拟结果，由图9可见，三角晶格光子晶体光纤涂覆量子点的半峰全宽值远远低于不涂覆量子点结构的数值，即对应着更高的溶液折射率探测灵敏度。当中心孔直径为1.275微米时，双功能层涂覆的pcf折射率传感器对应着最小的半峰全宽值。
77.上述实施例1-4中的金层厚度不同，对比损耗谱之后发现金层厚度在30nm显示出最佳品质因数。上述实施例3、5、6中量子点层数不同，对比损耗谱发现在两层量子点显示出最佳品质因数。上述实施例7，d形pcf在最优结构设计下得到的折射率探测灵敏度与三角晶格pcf相比有明显提高。
78.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。