地理gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba用于折射率检测的掺杂光纤等离子体传感器gydF4y2Ba

简介gydF4y2Ba

虽然在过去的十年中，基于表面等离子体共振(SPR)的光纤折射率(RI)传感器领域取得了相当大的进展，但这些传感器在生物、化学和健康监测等几个领域的应用稳步增加，总是为研究界设置了新的限制[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba］．SPR是一种无标记的传感技术，当入射偏振光与金属-介电表面界面处的表面等离子体波(SPW)耦合时，可以激发表面等离子体元。SPW的波矢量依赖于周围介质的RI，这使得SPR成为一种非常敏感的技术，可以探测折射率(RIs)的变化，这些变化主要是由周围分子与金属表面的相互作用或结合引起的[gydF4y2Ba4gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba8gydF4y2Ba］．在传统的SPR结构中，Kretschmann和Otto在1968年提出了一种基于全内反射的理论，即耦合棱镜的底部涂有薄金属(Au或Ag)，入射的p偏振光波激发金属-介电界面的表面等离子体激元[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba］．然而，这种配置有许多局限性和缺点，如体积大，可靠性差，不适合遥感，并且需要机械仪器，这限制了它的使用。gydF4y2Ba

为了克服这些问题，基于spr的微纳米结构光纤传感器(OFSs)因其具有鲁棒性、体积小、响应快、灵敏度高、在线实时监测、电磁抗扰性等独特特点而受到广泛关注。由于这些优势，在生物传感、化学分析和环境控制等不同领域提出新型SPR传感器的效果得到了异常迅速的扩展[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba15gydF4y2Ba］．第一个基于spr的OFS是由Jorgenson在1993年提出的，在光纤芯上涂上一层薄薄的金膜来激发表面等离子体激元，到目前为止，不同种类的光纤，如锥形光纤[gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]、多芯光纤[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]、光纤光栅[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]和光子晶体光纤(PCF)被提出并用于基于spr的传感元件。通过一些适当的技术改变光纤的波导特性，使其对外部环境敏感(通常通过去除包层)。除去一定长度的光纤的整个包层，会降低功率、可持续性和可靠性，另一种替代方法是使用d型光纤传感器，它相对坚固耐用，而不会牺牲设备的传感性能。gydF4y2Ba

在所有这些已报道的传感器中，d型OFS具有更吸引人的特点，如结构更不脆弱，易于制造工艺，高灵敏度，易于进入大消失场以实现高效传感应用[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba］．2006年，Wang等人提出了基于SPR效应的d型光纤传感器。在这种配置中，光纤上涂有一层金膜，RI灵敏度显著增加[gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba］．2011年，Lanza等人提出了一种基于d型光纤布拉格光栅的磁场传感器，其灵敏度为1.4403 pm/G [gydF4y2Ba21gydF4y2Ba］．2015年，Shi等报道了一种d型PCF温度传感器，其包层表面涂有一层薄薄的金膜，灵敏度为11.6 nm//°C。[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba］．Nayak等人提出了一种d型光纤SPR传感器，该传感器在光纤表面镀上一层银，再涂上一层石墨烯，在RI为1.33 ~ 1.37的范围内，最大灵敏度为6800 nm/RIU [gydF4y2Ba23gydF4y2Ba］．最近，Pathak等人提出了一种覆盖有多根金纳米线的凹形OFS，用于RI传感。金纳米线被涂在凹形通道上，位于垂直于纤芯的d形部分。当分析物RI在1.33和1.38[时，传感器的最大灵敏度为4,471 nm/RIU。gydF4y2Ba24gydF4y2Ba］．研究表明，基于SPR效应的d型光纤系统具有柔性好、灵敏度高的优点。gydF4y2Ba

为了提高光纤的检出限和灵敏度，提出了一种基于spr的d型光纤RI传感器，该传感器在光纤的平面上涂有一层薄薄的金膜。采用有限元方法对传感器的传感特性进行了表征。研究了锗(GeO)掺杂浓度的影响gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)，对金膜的厚度、金膜与纤维芯的包覆距离进行了研究。采用波长询问法，最大灵敏度为20863.20 nm/RIU，分辨率为10级gydF4y2Ba^{−6gydF4y2Ba}分析物达到1.43，与报道的作品相比最高[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba28gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

材料与方法gydF4y2Ba

对于d型光纤等离子体传感器来说，观测倏逝波与周围介质之间的相互作用是非常必要的，因此需要对其结构进行很好的研究。所提出的d型光纤传感器的截面视图如图所示gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba．厚度为“t”的金属膜gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba，以“d”的距离放置在光纤的平面上。激光微型机和侧抛光技术可用于制造这种结构。可很好地控制抛光深度[gydF4y2Ba28gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

该光纤为常规单模光纤，芯线和包层直径分别为8.2和125µm。纤维芯(含RI, ngydF4y2Ba_{有限公司gydF4y2Ba})，包层由GeO组成gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba分别是掺杂二氧化硅和熔融二氧化硅。一般来说，光纤的芯中掺杂X百分比的GeOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在二氧化硅。RI是掺X百分比GeO的二氧化硅波长的函数gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和熔融二氧化硅根据Sellmeier关系计算如下[gydF4y2Ba31gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba情商。gydF4y2Ba，gydF4y2BaλgydF4y2Ba是波长gydF4y2Ba ${\mathrm{BgydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}^{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}$ = 0.696166300,gydF4y2Ba ${\mathrm{BgydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}^{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}$ = 0.407942600,gydF4y2Ba ${\mathrm{BgydF4y2Ba}}_{\mathrm{3.gydF4y2Ba}}^{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}$ = 0.897479400,gydF4y2Ba ${\mathrm{CgydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}^{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}$ = 0.068404,gydF4y2Ba ${\mathrm{CgydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}^{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}$ = 0.116241，和gydF4y2Ba ${\mathrm{CgydF4y2Ba}}_{\mathrm{3.gydF4y2Ba}}^{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}$ = 9.896161为硅的Sellmeier系数gydF4y2Ba ${\mathrm{BgydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}^{\mathrm{GgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{0.8068664gydF4y2Ba}，gydF4y2Ba{\mathrm{BgydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}^{\mathrm{GgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{0.7181585gydF4y2Ba}，gydF4y2Ba{\mathrm{BgydF4y2Ba}}_{\mathrm{3.gydF4y2Ba}}^{\mathrm{GgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{0.8541683gydF4y2Ba}，gydF4y2Ba{\mathrm{CgydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}^{\mathrm{GgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{0.06897261gydF4y2Ba}，gydF4y2Ba{\mathrm{CgydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}^{\mathrm{GgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{0.1539661gydF4y2Ba}，gydF4y2Ba$ ${\mathrm{CgydF4y2Ba}}_{\mathrm{3.gydF4y2Ba}}^{\mathrm{GgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{1.841193gydF4y2Ba}$ GeO的Sellmeier系数是多少gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,分别。gydF4y2Ba

金(厚度tgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba)用作金属膜，并放置在距离核心边界(d)处。利用Drude模型得到金的介电常数为[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

在这里,gydF4y2BaλgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba= 1.6826 × 10gydF4y2Ba^{−7gydF4y2Ba}m和gydF4y2BaλgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba= 8.9342 × 10gydF4y2Ba^{−6gydF4y2Ba}M分别为金的等离子体波长和碰撞波长。gydF4y2Ba

基于有限元的COMSOL Multiphysics是一种先进的仿真软件，广泛应用于各个领域的科学计算和研究。在这里，使用COMSOL Multiphysics中的波光学模块来分析所提出的传感器的传感特性。整个结构被划分为一个小的子域，并被完美匹配层(PML)边界包围，该边界用于吸收整个模拟过程中向表面辐射的光。gydF4y2Ba

结果与讨论gydF4y2Ba

基于简单的SPR效应，提出了用于RI传感的d型等离子体OFS。在SPR现象中，TM模(p极化)波的倏逝场激发金属表面的自由电子，产生表面等离子体(SP)波，并通过金属-介电界面传播。存在相位匹配条件，在此条件下，TM模式在给定波长下将其大部分能量损失给SP波。这就是所谓的共振条件，这个波长称为共振波长。这个共振波长直接取决于周围介质的RI。该共振波长随周围介质RI的变化而变化。因此，通过测量该共振波长，我们可以很容易地得到介质的RI。在整个传感器仿真过程中，都考虑了TM模式。在模拟过程中，考虑光在z轴上传播，所有的模型考察都在XY平面上进行。随着电场与金属薄膜重叠量的增加，约束损耗也随之增加。 The model loss or confinement loss of the proposed sensor is obtained from the imaginary part of the effective RI [Im(n_effgydF4y2Ba)]的引导模式，借助于以下关系gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaλgydF4y2Ba是以微米为单位的工作波长。gydF4y2Ba

图2gydF4y2Ba为d = 5 nm, t时基本TM极化核导模式(黑线带方格)、表面等离子体模式(蓝线带方格)和核导模式的约束损失(红线带方格)的有效RI的实部色散谱gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 40 nm, ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}=所述传感装置的1.41。可以看出，在800 nm的共振波长处，激发SPP模式的核心模式和SPP模式相匹配。当它们在谐振波长处相位匹配时，介电核心模式是无损耗的，而SPP模式是高损耗的。核心模式和SPP模式的相互作用导致从核心模式到等离子体模式的最大功率传输。它导致核心引导模式的约束损失急剧增加，如图所示gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba用正方形的红线。插入gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba分别为TM极化核模在700 nm、表面等离子体极化模和共振模在800 nm、核导模在860 nm的电场分布。从谐振模的电场分布可以很清楚地看到，大部分电场存在于金属/电介质层。gydF4y2Ba

除周围介质RI的影响外，其他参数如金膜厚度(tgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba)、金膜与芯之间的距离(d)、GeO的掺杂浓度gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在核心也会影响传感器的性能。金膜的距离决定了表面等离子体激元上电子束的强度以及SPP与引导模式的相位匹配。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba显示了在固定金膜厚度为40 nm的情况下，随着金属层与核心的距离以及RI为1.35和5% GeO的周围分析物的距离的变化，共振波长和相应的约束损失gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba掺杂二氧化硅芯。正如预期的那样，共振波长保持不变，而在共振波长处的最大损耗不断减小。约束损失随着距离的增加而减小。当d = 0和5 nm时，约束损失分别为31.53和31.23 dB/cm;当d = 1000 nm时，在600 nm波长处，约束损失分别为3.17 dB/cm。在接下来的计算中，我们以d = 5 nm为优化值。这些深度可以通过物理抛光、化学蚀刻或之前报道的这两种技术的结合来实验实现[gydF4y2Ba33gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

优化了包覆距离、金膜厚度和GeO的掺杂浓度gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba也进行了优化。gydF4y2Ba图4一gydF4y2Bad =5 nm时，当金厚度从30 ~ 70 nm变化时，5% GeO的共振波长和相应的约束损失变化gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba掺杂二氧化硅芯和ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.35。从光谱上观察到，共振波长向较高的波长移动，在50 nm以后谐振波长趋于恒定。当厚度为t时，约束损失也从28.45 dB/cm增加到31.23 dB/cmgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 30-40 nm, t后gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 40 nm时，t开始迅速下降到4.43 dB/cmgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 70 nm。金属层厚度的增加导致了更高的阻尼损失，从而降低了消失场对周围分析物的渗透。这里，当金膜厚度大于40 nm时，较高的阻尼损失导致引导模式的约束损失整体下降。因此，确定传感器的最佳金层厚度为40 nm。共振波长和约束损失随GeO掺杂浓度的变化gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba对于d = 5 nm, tgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 40 nm, ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.35示于gydF4y2Ba图4 bgydF4y2Ba．从gydF4y2Ba图4 bgydF4y2Ba，当掺杂浓度为12.5%时，共振波长没有变化，当掺杂浓度为15%时，共振波长向较短波长偏移。当相应共振波长的约束损失从31.23 dB/cm不断减小到19.55 dB/cm时，GeO的掺杂浓度显著降低gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在二氧化硅中从5%增加到15%在考虑较高模型损失的情况下，得到了GeO的优化值gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba选择掺杂浓度为5%。gydF4y2Ba

在得到所有优化的结构参数后，对所提出的传感器进行了传感能力测试，并获得了广泛范围内分析物的透射光谱(对数)，RI为1.35至1.43，如图所示gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba．所述传感器的透射谱由以下关系式得到[gydF4y2Ba34gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

我在哪里gydF4y2Ba_effgydF4y2Ba)为有效折射率的虚部，L为传感光纤的长度。为了计算透射谱，我们设L = 1 cm。在这里，我们可以清楚地观察到共振波长相对于分析物RI的红移，即随着分析物RI的增加，约束损失峰值向更高的波长移动。gydF4y2Ba

图6gydF4y2Ba描述了共振波长和灵敏度的变化作为分析物的RI (n)的函数gydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba})．灵敏度由共振波长导数与分析物RI的多项式拟合得到。所述传感器的灵敏度用“S”表示，可由以下关系式得到gydF4y2Ba

可以看出，当分析物的RI范围为n时，灵敏度从2458.98 nm/RIU到20863.20 nm/RIU呈非线性增加gydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.35 ~ ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}= 1.43。gydF4y2Ba

分辨率是另一个重要的参数，描述了所提出的设备检测分析物的RI的微小变化的能力。由下面的关系式得到gydF4y2Ba

Δ在哪里gydF4y2BaλgydF4y2Ba_{最小值gydF4y2Ba}为最小光谱分辨率，S为器件灵敏度。通过选择gydF4y2Ba $\mathrm{\Delta gydF4y2Ba}{\mathrm{\lambda gydF4y2Ba}}_{\mathrm{米gydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{ngydF4y2Ba}}$ = 0.1 nm时，该传感器的最大分辨率约为4.79gydF4y2Ba $\times gydF4y2Ba$ 10gydF4y2Ba^{−6gydF4y2Ba}RIU为RI为1.43的分析物。这意味着所提出的传感器可以检测到高达10的非常小的变化gydF4y2Ba^{−6gydF4y2Ba}分析物的RI。gydF4y2Ba

对于基于spr的传感器的综合分析，性能系数(FOM)也是一个非常重要和必要的参数。由下式得到gydF4y2Ba

其中S是灵敏度，FWHM是共振半最大时的全宽度。FWHM是感兴趣的，因为更大的FWHM将在探测共振波长时引入更大的不确定性，从而导致较低的分辨率。gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba将FOM和FWHM描述为分析物RI (ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba})．FOM为67.53 RIUgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}到356.83 RIUgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}FWHM先从36.41 nm减小到21.99 nm，后又增大到67.65 nm。FOM的这种行为主要是灵敏度非线性行为的结果。分析物RI不同损失谱的FWHM不是常数，即对于某些n集，FWHM较低gydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}对于其他n的集合，也很高gydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}这对FOM的非线性变化也有影响。分析物的RI (ngydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba})提供了相对较低的指数对比，这导致与分析物的RI相关的每个损失谱的FWHM展宽。gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba提供了所提出的传感器与其他先前报道的传感器在灵敏度、分辨率和FOM方面的详细比较。通过对比可以看出，本文提出的基于d型光纤等离子体的RI传感器具有更高的灵敏度、更高的FOM、更好的分辨率和更大的传感范围。因此，本文提出的基于SPR效应的传感器在化学、生物化学、生物传感膜等不同领域对不同液体的测量具有很大的潜力。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

提出了一种基于SPR效应的d型光纤RI传感器，并用有限元方法对其进行了数值研究。所提出的传感装置的结构由沉积在光纤平面上的金层组成。对器件的各结构参数进行了优化，并系统地分析了它们对器件传感特性的影响。在距离核心边界5 nm处沉积40 nm厚度的金膜，其灵敏度为2458.98 nm/RIU ~ 20863.20 nm/RIU, RI范围为1.35 ~ 1.43，最大分辨率为10gydF4y2Ba^{−6gydF4y2Ba}RIU。该传感器的FOM最大值为356.83 RIUgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}67.53 RIU起gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}对于相同的传感范围。由于这些优点，并考虑到最新的微加工技术，所提出的传感器可以非常有用的广泛应用，如医疗诊断，食品安全，化学和生化传感。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

支持本文结论的原始数据将由作者提供，毫无保留地提供。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

方法论，概念化，形式分析，验证，资金获取，写作-初稿。RM:概念化，形式分析，验证，资金获取，监督，写作-审查和编辑。SK:形式分析，验证，写作-审查和编辑，XL:验证，写作-审查和编辑。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

国家自然科学基金(62003046,6211101138);广东省基础与应用基础研究基金(2021A1515011997);广东省外国专家招聘计划(2020A1414010393);广东省教育厅重点领域专项(2021ZDZX1050);广东省教育厅创新团队项目(2021KCXTD014);山东省双百人才计划。gydF4y2Ba

利益冲突gydF4y2Ba

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。gydF4y2Ba

参考文献gydF4y2Ba