本发明专利技术公开了一种石墨烯包覆金膜的D型光子晶体光纤生物传感器，包括纤芯、包层、金膜层、石墨烯层、待测分析物液体及完美匹配层；纤芯和包层的材料为折射率等于1.45的石英，包层由各自呈周期性对称排列的三种不同直径的空气孔组成。本发明专利技术在D型光子晶体光纤的抛光面上镀上一层金属膜，使其发生表面等离子体效应，在金属膜的上下表面各自包覆五层石墨烯，石墨烯层的作用可以增加了传感器对生物分子的吸附能力，使得传感器能够应用在生物传感领域，最外层是待测分析物液体，传感器使用时要将其完全浸没在液体分析物中。本发明专利技术可广泛应用到生命科学、药物筛选、环境监测、毒品监测等领域。领域。领域。
【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯包覆金膜的D型光子晶体光纤生物传感器
(一)
[0001]本专利技术涉及光纤传感领域，具体涉及用于低折射率传感的表面等离子体光子晶体光纤传感器，能够对液体的分析物或者生物分子进行高精确度的传感。
(二)
技术介绍
[0002]光子晶体光纤(PCF)具有灵活的结构设计和优良的光学特性，在光电子、光纤通信系统和光纤非线性等领域具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。表面等离子体共振(SPR)是一种发生在介质与金属界面的光学现象。基于SPR效应的光学传感器具有灵敏度高、无标签、实时在线检测等优点。但其设备兼容性差、体积大、集成困难等问题限制了其进一步的应用。将PCF优异的光学特性与SPR技术相结合，出现了一些体积小、重量轻、易于集成的基于SPR的光子晶体光纤传感器。随着表面等离子体光子晶体光纤传感器的不断发展，获得可检测折射率范围大、灵敏度高、分辨率高、可商品化的传感器成为了设计的目标。
[0003]Wang等人提出了一种双芯PCF生物传感器。在传感器的两个纤芯之间，有一个充满液体的空气孔，其内壁上有一层银
‑
石墨烯层。在1.43～1.46RI检测范围内，最高光谱灵敏度为10000nm/RIU。通过选择性地去除第二包层空气孔中的六个空气孔，Zhang等人报道了一种选择性镀金并充液的六芯PCF传感器。其光谱灵敏度为3300nm/RIU。然而，为了成功实现对圆形微气孔的选择性涂覆和填充，所需要操作过程繁琐复杂，涂覆膜的均匀性也难以保证。为了消除这些问题，一些基于表面等离子体共振效应的D型光子晶体光纤传感器已经被提出。
[0004]Lu提出了一种基于金光栅的D型光子晶体光纤折射率传感器。结果表明，在1.36～1.38RI范围内，灵敏度可达3340nm/RIU。Gangwar等人基于表面等离子体共振效应设计了D型光子晶体光纤，其灵敏度为7700nm/RIU，分辨率为1.30
×
10
‑5RIU。
(三)
技术实现思路
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种石墨烯包覆金膜的D型光子晶体光纤生物传感器。采用完美匹配层(PML)的有限元方法，研究了在抛光平面上涂覆石墨烯包覆金膜的光子晶体光纤的传输特性。一方面可以保证涂层的均匀性；另一方面，可直接浸入待测液体中进行实时检测。通过引入石墨烯层，一方面增加了传感器对生物分子的吸附能力，使得传感器能够在生物传感领域更好的应用；另一方面使损耗峰峰值显著提高，极大提高传感器的灵敏度。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]具体地，本专利技术提供了一种石墨烯包覆金膜的D型光子晶体光纤生物传感器，其结构包括了纤芯(4)、包层(7)、金膜层(2)、石墨烯层(1)、待测分析物液体(8)及完美匹配层(9)。
[0008]所述包层具有一圆弧曲面和一抛光平面，包层内沿纤芯轴向设置有若干空气孔。
[0009]所述包层空气孔包括内部空气孔和设置在所述内部空气孔外围的两层空气孔，所
述内部空气孔为位于纤芯(4)的正上方的空气孔(3)和纤芯(4)正下方的两个空气孔(5)，所述两层空气孔包括靠近内部空气孔成“U”型对称排列的空气孔(5)和最外层成正六边形的部分对称排列的空气孔(6)。
[0010]所述外层空气孔的设置用调节控制包层和纤芯的相对折射率差异，从而限定光在纤芯内按照全内反射原理进行传导。
[0011]所述空气孔(3)的设置用于增强y偏振方向上倏逝场的泄露。
[0012]所述金膜层设置于包层的抛光平面上，所述金膜层的上下表面分别设置有5层石墨烯层，所述金膜为表面等离子体共振效应发生提供诱导，所述石墨烯层可以使损耗峰峰值显著提高，极大提高传感器的灵敏度和应用范围。
[0013]使用时，光纤浸没在待测分析物液体里，所述完美匹配层位于待测分析物液体的外面，其为在对光纤进行性能仿真时所添加的计算边界。
[0014]按上述方案,所述空气孔(3)的直径d0＝0.5um。
[0015]按上述方案,所述空气孔(5)的直径d1＝1.1um，相邻的空气孔在x方向上的间距Λ
x
＝1.6um，在y方向上的间距Λ
y
＝1.2um。
[0016]按上述方案,所述空气孔(6)的直径d2＝1.6um，相邻空气孔的间距Λ＝2.2um。
[0017]按上述方案,所述金膜的材料为金，所述金膜层的厚度t＝45nm。
[0018]按上述方案,根据石墨烯对光的吸收率与层数呈线性关系所述石墨烯的层数为在金膜上下各五层，所述石墨烯每层的厚度为0.34nm。
[0019]按上述方案,所述纤芯的中心与包层的抛光平面距离D1＝1.9um，所述纤芯的中心与包层圆弧曲面的圆心距离D2＝1.2um。
[0020]按上述方案,所述纤芯和包层的材料为折射率＝1.45的石英。
[0021]按上述方案,所述包层圆弧曲面的半径R＝5.8um。
[0022]按上述方案,所述入射光的工作波长范围为620nm～950nm。
[0023]按上述方案,通过改变外界环境折射率，便可以检测出其灵敏度，外界分析物在1.33～1.38RI之间变化。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0025]1、本专利技术的传感器基于D型光子晶体光纤的结构设计，采用的在抛光平面上镀金的方式，相比在空气孔内镀金，该方式操作和工艺生产更为简单，并且金膜覆盖的均匀性更可控。
[0026]2、本专利技术的传感器是采用折射率型光子晶体光纤的结构，导光原理与折射率阶跃型光纤相同，都是基于全内反射原理导光。但是光子晶体光纤有着极好的非线性效应和优良的双折射效应。
[0027]3、本专利技术的传感器在原本只有一层金膜的基础上，在金膜的上下侧增加5层石墨烯，一方面增加了传感器对生物分子的吸附能力，使得传感器能够在生物传感领域更好的应用；另一方面使损耗峰峰值显著提高，极大提高传感器的灵敏度。
[0028]4、本专利技术的传感器在结构上采用类似U型的气孔布置，同时设置气孔(3)，用来增强y偏振方向上倏逝场的泄露，以便于增强传感器的检测性能。
[0029]石墨烯包覆金膜的D型光子晶体光纤生物传感器的工作原理：当入射光在光子晶体光纤中传播时，主要的光集中在纤芯，当入射光传播到侧抛平面时，入射光的一部分光会
变成倐逝波与金属中的表面等离子体波发生共振，倐逝波的能量也会耦合到表面等离子体波中，使得入射光的能量被吸收，直接导致检测到的反射光的能量大幅度地减弱，并在反射光强响应曲线检测到一个最小的尖峰，即共振吸收峰。当金膜表面的外界环境折射率发生改变时，就会影响共振吸收峰的位置发生变化，通过测量共振吸收峰的改变量Δλ来计算得到外界折射率的变化。
(四)附图说明
[0030]图1为本专利技术实施例的光纤横截面示意图。
[0031]图2是本专利技术实施例中的y
‑
pol基模的模场分布图。
[0032]图本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包覆金膜的D型光子晶体光纤生物传感器，其特征在于：其包括纤芯(4)、包层(7)、金膜层(2)、石墨烯层(1)、待测分析物液体(8)及完美匹配层(9)；所述包层具有一圆弧曲面和一抛光平面，包层内沿纤芯轴向设置有若干空气孔；所述包层空气孔包括内部空气孔和设置在所述内部空气孔外围的两层空气孔，所述内部空气孔为位于纤芯(4)的正上方的空气孔(3)和纤芯(4)正下方的两个空气孔(5)，所述两层空气孔包括靠近内部空气孔成“U”型对称排列的空气孔(5)和最外层成正六边形的部分对称排列的空气孔(6)；所述外层空气孔的设置用于调节控制包层和纤芯的相对折射率差，从而限定光在纤芯内按照全内反射原理进行传导；所述空气孔(3)的设置用于增强y偏振方向上倏逝场的泄漏；所述金膜层设置于包层的抛光平面上，所述金膜层的上下表面分别设置有5层石墨烯层，所述金膜为表面等离子体共振效应的发生提供诱导，所述石墨烯层可以使损耗峰峰值显著提高，极大提高传感器的灵敏度和应用范围；使用时，光纤浸没在待测分析物液体里，所述完美匹配层位于待测分析物液体的外面，其为在对光纤进行性能仿真时所添加的计算边界。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆金属的D型光子晶体光纤生物传感器，其特征在于：所述空气孔(3)的直径d0＝0.5um。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆金属的D型光子晶体光纤生物传感器，其特征在于：所述空气孔(5)的直径d1＝1.1um，相邻的空气孔在x方向上的间距Λ
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏艳，刘洋，方修贤，梅梓洋，刘孟银，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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