1.本发明涉及一种基于空芯反谐振光纤(hollow-core anti-resonance fiber，hcarf)的局域表面等离子体共振的高灵敏度、宽检测、高线性的折射率传感器，属于特种光纤、光纤传感领域。
背景技术：2.折射率传感器已广泛应用于环境保护、食品安全、医疗诊断等领域。在大探测范围内具有高灵敏度和线性度的光纤传感器是目前研究的重点。这项研究面临的主要挑战是：在满足日益苛刻的低样品量要求的前提下，如何实现高灵敏度、宽检测范围、高线性的传感。而光纤传感技术具有抗电磁干扰、小巧紧凑、样品消耗少，可实现快速检测、远程监控等特点，是实现无损检测生物活性物质的有效手段，特别是近年来兴起的表面等离子体共振(surface plasmon resonance，spr)技术，能够进一步提高检测灵敏度，成为面对这一挑战，实现高灵敏度的优选方案。
3.表面等离子体共振，是一种发生在介质金属面上的物理现象。根据产生spr现象时金属形态的不同，可分为金属spr以及金属局域表面等离子体共振(localized surface plasmon resonance，lspr)两大类。当入射光照射在金属薄膜或金属纳米颗粒上时，在满足相位匹配的条件下，金属表面的自由电子产生集体振荡并与入射光发生共振耦合，此时金属薄膜或金属纳米颗粒将对入射光产生很强的吸收，从而获得增强的表面电磁场。
4.由于空芯光纤结构的多样性，以及局域表面等离子体共振传感器的高灵敏度和无须样品标记，因此在折射率传感研究中对基于局域表面等离子体共振的空芯光纤传感研究成了近几年研究人员的研究方向。空芯光纤分为空芯光子带隙光纤和空芯反谐振光纤。空芯反谐振光纤通过反共振反射光波导原理在芯区导光，它具有传输损耗低、结构简单等优点。在空芯反谐振光纤中存在诸多贯穿光纤长度方向的空气孔，根据需要可将金属纳米颗粒和待测溶液选择性地注入到特定的空气孔中，既可以是包层的空气孔，也可以是纤芯的空气孔，再加上空芯反谐振光纤自身结构的可设计性，具有非常灵活的设计和组合空间，为实现光与待测溶液的高效相互作用和新型高性能生物传感技术开辟了新的研究空间，具有重要的科学研究意义和诱人的应用前景。
5.近年来，研究人员主要是通过合理设计光子晶体光纤的结构，并结合表面等离子体共振原理，实现在宽折射率检测范围内的高灵敏度传感。在2020年，kumar s等人设计了一种基于表面等离子体共振(spr)的光子晶体光纤(photonic crystal fiber，pcf)传感器，在y方向有两个填充金的包层管，x方向有两个大包层管，在1.29-1.49的折射率范围有最大波长灵敏度4156.82nm/riu。同年，zengw等人通过在d形pcf平面上沉积两条纳米级金带，设计了一种高灵敏度(12600nm/riu)、宽探测范围(1.15-1.36)的d形pcf-spr传感器，虽然大幅度提高了灵敏度，但在1.15-1.36宽探测范围的响应仍是非线性的。可以看出在已有的研究中，如何在维持宽折射率检测范围内实现高灵敏度传感的基础上实现一种线性传
感，是仍然需要研究的重点。
技术实现要素：6.本发明目的是解决如何在维持宽折射率检测范围和高灵敏度传感的基础上实现线性传感的问题，提出一种基于空芯反谐振光纤的局域表面等离子体共振的折射率传感器，该传感器结构简单，工艺易于实现，灵敏度高、检测范围广、线性响应度高。
7.本发明通过在空芯反谐振光纤的包层管中选择性的封装金属纳米颗粒，把纤芯区域作为待测溶液的通道，合理的设置空芯反谐振光纤的纤芯、包层管及其壁厚的尺寸，以及金属颗粒的尺寸、数量、间距及形状使得传感器在宽折射率检测范围内达到高灵敏度和高线性的传感测量。
8.本发明的技术方案：
9.一种基于空芯反谐振光纤的局域表面等离子体共振的高灵敏度、宽检测、高线性的折射率传感器，包括由单模光纤(2)依次连接的宽带光源(1)、隔离器(3)、空芯反谐振光纤传感头(4)和光谱分析仪(5)，所述空芯反谐振光纤传感头(4)同时通过微流导管(61)连接微流控制器(6)。
10.所述的空芯反谐振光纤传感头(4)由两个t型接头、空芯反谐振光纤(7)及金属纳米颗粒(9)构成；所述空芯反谐振光纤(7)的两端各连接一个t型接头，t型接头有三个接口；空芯反谐振光纤传感头(4)输入端的t型接头的第一接口与微流控制器(6)通过微流导管(61)连接，第二接口与隔离器(3)的光输出端口通过单模光纤(2)连接，第三接口与空芯反谐振光纤(7)的输入端直接连接；空芯反谐振光纤传感头(4)输出端的t型接头的第一接口与微流控制器(6)通过微流导管(61)连接，第二接口与光谱分析仪(5)通过单模光纤(2)连接，第三接口与空芯反谐振光纤(7)的输出端直接连接；金属纳米颗粒(9)封装到空芯反谐振光纤(7)的包层区域。所述的空芯反谐振光纤传感头(4)同时用作传感元件和流通池；金属纳米颗粒(9)有选择性地填充在空芯反谐振光纤(7)的包层管(8)中，在空芯反谐振光纤(7)中传输的光波激发填充于包层区域的金属纳米颗粒(9)表面的局域表面等离子体共振，实现传感检测，同时空芯反谐振光纤(7)的纤芯区域作为待测溶液(10)的微流通道。该折射率传感器通过检测空芯反谐振光纤传感头(4)的共振波长解调待测溶液(10)的折射率，具有在宽的折射率检测范围内同时具有高的灵敏度和线性的波长响应。
11.所述的空芯反谐振光纤(7)可以采用不同的结构和尺寸，如可以采用单包层空芯反谐振光纤，空芯嵌套反谐振无节点光纤，空芯连体管负曲率光纤，空芯连接圆负曲率光纤等。
12.所述的金属纳米颗粒(9)可以采用不同形状、不同尺寸、不同材料的金属，如纳米棒、纳米线等，如金、银等。金属纳米颗粒(9)在空芯反谐振光纤(7)的包层管(8)的填充包括但不限于单包层填充，对称填充或全填充。这均可导致激发的局域表面等离子体激元强度不同。通过这些组合，将能够发现更多的新现象，为实现高灵敏度、宽折射率检测奠定基石。
13.所述的折射率传感器选用宽带光源(1)作为该传感器的光源，通过单模光纤(2)导光。为了防止空芯反谐振光纤(7)端面反射的光进入到宽带光源(1)，使用隔离器(3)保证了光的单向传导。当满足空芯反谐振光纤(7)导光原理的光的频率和金属纳米颗粒(9)内自由电子振荡频率相同时，就会发生局域表面等离子体共振，这种共振在宏观上就表现为金属
纳米颗粒(9)对光的吸收。通过光谱分析仪(5)可以观察到透射谱的共振峰。当待测溶液(10)折射率改变时，金属纳米颗粒(9)的lspr共振峰会漂移。通过测量待测溶液(10)折射率改变的共振峰漂移量，可以解调出本发明传感器的灵敏度。
14.本发明使用空芯反谐振光纤(7)作为传感头，空芯反谐振光纤(7)的导光原理使得待测溶液(10)与金属纳米颗粒(9)分开填充仍可发生强烈的等离子体共振效应，从而在宽的折射率检测范围内获得线性响应。
15.使用金属纳米颗粒(9)作为敏感材料，金属纳米颗粒(9)的局域表面等离子体共振场增强效应和较大的比表面积，易在宽的折射率检测范围内获得高折射率灵敏度。
16.使用金属纳米颗粒(9)填充传感头，通过填充长宽比较大的金属纳米颗粒(9)，激发金属纳米颗粒(9)的局域表面等离子体，由于局域表面等离子体共振效应对待测溶液(10)折射率变化十分敏感，当待测溶液(10)折射率发生微小变化时，金属纳米颗粒(9)的共振吸收峰对应共振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待测溶液(10)折射率的变化，计算出在宽折射率检测范围内的灵敏度，在此基础上可获得一个高线性响应。
17.本发明的优点和有益效果：
18.本发明设计的基于空芯反谐振光纤的局域表面等离子体共振折射率传感器结构简单，避免了孔内镀膜的复杂工艺，利用空芯反谐振光纤(7)独特的导光原理，将金属纳米颗粒(9)与待测溶液(10)分开填充，并将金属纳米颗粒(9)封装好，仍可实现光与待测溶液(10)的高效相互作用并可提高传感器的使用寿命。通过控制金属纳米颗粒(9)的尺寸、形状及数量等可以大幅度提高传感器的灵敏度。利用该模型结构制成的基于空芯反谐振光纤的局域表面等离子体共振折射率传感器，在宽折射率检测范围内能实现高灵敏度检测和高线性响应。
附图说明
19.图1为本发明折射率传感器的结构图。
20.图2为本发明的单包层空芯反谐振光纤传感头二维截面示意图。
21.图3为本发明单包层空芯反谐振光纤传感器的待测溶液折射率与共振波长的拟合关系。
22.图4为本发明的空芯连接圆负曲率光纤传感头二维截面示意图。
23.图5为本发明空芯连接圆负曲率光纤传感器的待测溶液折射率与共振波长的拟合关系。
24.图中标号为：(1)宽带光源，(2)单模光纤，(3)隔离器，(4)空芯反谐振光纤传感头，(5)光谱分析仪，(6)微流控制器，(61)微流导管，(7)空芯反谐振光纤，(8)包层管，(9)金属纳米颗粒，(10)待测溶液。
具体实施方式
25.实施例1：
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
27.本发明提供的基于单包层的空芯反谐振光纤的局域表面等离子体共振的高灵敏度、宽检测、高线性的折射率传感器，如图1所示，包括由单模光纤(2)依次连接的宽带光源(1)、隔离器(3)、空芯反谐振光纤传感头(4)和光谱分析仪(5)，所述空芯反谐振光纤传感头(4)同时通过微流导管(61)连接微流控制器(6)。
28.所述的空芯反谐振光纤传感头(4)由两个t型接头、空芯反谐振光纤(7)及金属纳米颗粒(9)构成；所述空芯反谐振光纤(7)的两端各连接一个t型接头，t型接头有三个接口；空芯反谐振光纤传感头(4)输入端的t型接头的第一接口与微流控制器(6)通过微流导管(61)连接，第二接口与隔离器(3)的光输出端口通过单模光纤(2)连接，第三接口与空芯反谐振光纤(7)的输入端直接连接；空芯反谐振光纤传感头(4)输出端的t型接头的第一接口与微流控制器(6)通过微流导管(61)连接，第二接口与光谱分析仪(5)通过单模光纤(2)连接，第三接口与空芯反谐振光纤(7)的输出端直接连接；金属纳米颗粒(9)封装到空芯反谐振光纤(7)的包层区域。所述的空芯反谐振光纤传感头(4)同时用作传感元件和流通池；在空芯反谐振光纤(7)中传输的光波激发填充于包层区域的金属纳米颗粒(9)表面的局域表面等离子体共振，实现传感检测，同时空芯反谐振光纤(7)的纤芯区域作为待测溶液(10)的微流通道。
29.其传感头二维截面示意图如图2所示，空芯反谐振光纤(7)选用单包层空芯反谐振光纤，金属纳米颗粒(9)选用金纳米线，金纳米线附着在单包层空芯反谐振光纤的对称的两个包层管(8)内壁，纤芯区域作为待测溶液(10)通道。所述单包层空芯反谐振光纤的纤芯半径r＝11.0μm，包层管(8)半径r＝5.5μm，包层管(8)壁厚t＝590.0nm，金纳米线数量n
au
＝70，金纳米线间距s
au
＝60.0nm，金纳米线半径r
au
＝80.0nm。
30.空芯反谐振光纤(7)的背景材料为sio2，其折射率使用sellmeier公式如下：
[0031][0032]
n为sio2的折射率，λ是入射光的波长。
[0033]
金纳米线使用drude模型作为近似介电模型，drude模型的表达式为：
[0034][0035]
εm为金纳米线的近似介电常数，ε
∞
为高频下的介电常数，ωd为等离子体频率，γd为与电子平均自由程有关的体阻尼常数，ω为入射光的角频率。
[0036]
图3显示了该传感器的待测溶液(10)的有效折射率与共振波长的线性拟合关系，可以看出在待测溶液(10)的有效折射率为1.25～1.45的宽折射率检测范围内达到15027.92nm/riu的高灵敏度及0.9996的高线性拟合度。
[0037]
实施例2：
[0038]
本发明是基于空芯连接圆负曲率光纤的局域表面等离子体共振的高灵敏度、宽检测、高线性的折射率传感器，其传感头二维截面示意图如图4所示，空芯反谐振光纤(7)选用空芯连接圆负曲率光纤，其背景材料是二氧化硅。金属纳米颗粒(9)选用金纳米线，金纳米线附着在靠近空芯连接圆负曲率光纤纤芯的对称的两个包层管(8)内壁，纤芯区域作为待测溶液(10)通道。所述空芯连接圆负曲率光纤的纤芯半径r＝15.00μm，包层管(8)1、2、3的
半径分别为r1＝11.50μm、r2＝10.75μm、r3＝9.10μm，包层管(8)1和3的距离i＝13.29μm，包层管(8)壁厚t＝350.00nm，金纳米线数量n
au
＝5，金纳米线间距s
au
＝121.43nm，金纳米线半径r
au
＝80.00nm。
[0039]
图5显示了该传感器的待测溶液(10)的有效折射率与共振波长的线性拟合关系，可以看出在待测溶液(10)的有效折射率为1.21～1.42的宽折射率检测范围内达到16551.98nm/riu的高灵敏度及0.9991的高线性拟合度。
[0040]
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。
技术特征：1.一种基于空芯反谐振光纤的局域表面等离子体共振的高灵敏度、宽检测、高线性的折射率传感器，其特征在于：该传感器包括由单模光纤(2)依次连接的宽带光源(1)、隔离器(3)、空芯反谐振光纤传感头(4)和光谱分析仪(5)，所述空芯反谐振光纤传感头(4)同时通过微流导管(61)连接微流控制器(6)。2.根据权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于：所述的空芯反谐振光纤传感头(4)由两个t型接头、空芯反谐振光纤(7)及金属纳米颗粒(9)构成；所述空芯反谐振光纤(7)的两端各连接一个t型接头，t型接头有三个接口；空芯反谐振光纤传感头(4)输入端的t型接头的第一接口与微流控制器(6)通过微流导管(61)连接，第二接口与隔离器(3)的光输出端口通过单模光纤(2)连接，第三接口与空芯反谐振光纤(7)的输入端直接连接；空芯反谐振光纤传感头(4)输出端的t型接头的第一接口与微流控制器(6)通过微流导管(61)连接，第二接口与光谱分析仪(5)通过单模光纤(2)连接，第三接口与空芯反谐振光纤(7)的输出端直接连接；金属纳米颗粒(9)封装到空芯反谐振光纤(7)的包层区域。3.根据权利要求2所述的折射率传感器，其特征在于：所述的空芯反谐振光纤传感头(4)同时用作传感元件和流通池；在空芯反谐振光纤(7)中传输的光波激发填充于包层区域的金属纳米颗粒(9)表面的局域表面等离子体共振，实现传感检测，同时空芯反谐振光纤(7)的纤芯区域作为待测溶液(10)的微流通道。4.根据权利要求2所述的折射率传感器，其特征在于：所述的金属纳米颗粒(9)封装于空芯反谐振光纤(7)的包层管(8)内作为等离子体材料激发局域表面等离子体共振；金属纳米颗粒(9)可以采用不同形状、不同尺寸、不同材料的金属；金属纳米颗粒(9)在包层管(8)分布也可以不同，包括但不限于单包层填充，对称填充或全填充；通过控制金属纳米颗粒(9)的尺寸、形状及数量能够大幅度提高传感器的灵敏度。5.根据权利要求2所述的折射率传感器，其特征在于：所述的空芯反谐振光纤(7)可以采用不同的结构和尺寸，包括但不限于单包层空芯反谐振光纤，空芯嵌套反谐振无节点光纤，空芯连体管负曲率光纤和空芯连接圆负曲率光纤。6.根据权利要求3所述的折射率传感器，其特征在于：所述的金属纳米颗粒(9)和待测溶液(10)分别位于空芯反谐振光纤(7)的包层管(8)内和纤芯区域，传感器的重复使用不会影响金属纳米颗粒(9)的形貌和特性，大大提高了传感器的使用寿命和准确度。7.根据权利要求3所述的折射率传感器，其特征在于金属纳米颗粒(9)激发的局域表面等离子体效应对待测溶液(10)折射率变化十分敏感，当待测溶液(10)折射率发生微小变化时，金属纳米颗粒(9)的共振吸收峰对应共振波长发生改变，通过测量共振波长的偏移量解调出待测溶液(10)折射率的变化量，实现实时监测。
技术总结本发明设计了一种基于空芯反谐振光纤的局域表面等离子体共振的高灵敏度、宽检测、高线性的折射率传感器。所述传感器：包括宽带光源、隔离器、空芯反谐振光纤传感头、光谱分析仪、微流控制器。本传感器的核心部分是空芯反谐振光纤传感头，在空芯反谐振光纤的包层管中选择性的封装金属纳米颗粒，纤芯区域作为待测溶液的通道。该传感器的优点是结构简单、灵敏度高、检测范围广、线性度高；通过测量金属纳米颗粒激发的局域表面等离子体共振峰的波长，就可解调出纤芯区域待测溶液折射率，实现实时传感检测；其独特的填充方式还提高了传感器的使用寿命和准确度。用寿命和准确度。用寿命和准确度。
技术研发人员：张爱玲 隋鹏霞
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2022/7/5
