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        基于表面等離子體共振的光子晶體光纖甲烷氣體傳感器

        2020-11-10 07:47:04魏方皓張祥軍唐守鋒
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        魏方皓,張祥軍,唐守鋒

        (中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,江蘇徐州221116)

        光子晶體光纖(PCF)具有光學(xué)損耗小、光學(xué)非線性度高等特性,自問世以來受到廣大科研工作者極大的關(guān)注,廣泛應(yīng)用于傳感、檢測、濾波等諸多領(lǐng)域。隨著表面等離子體共振現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn),基于表面等離子體共振的光子晶體光纖(SPR-PCF)傳感器應(yīng)運(yùn)而生[1]。與傳統(tǒng)光纖傳感器相比,SPR-PCF傳感器改進(jìn)了交叉敏感、耦合損耗、保偏特性等主要問題,而且可以制造多維結(jié)構(gòu),具有工作波長范圍寬、模場面積大、可以實現(xiàn)多參數(shù)測量等突出的優(yōu)點(diǎn)[2]。

        近些年來,SPR-PCF在研究和應(yīng)用方面取得突破性進(jìn)展,尤其是在氣體傳感中,各種各樣的PCF氣體傳感器發(fā)揮了越來越大的作用。PCF氣體傳感器的結(jié)構(gòu)形式主要有光柵結(jié)構(gòu)、模間干涉結(jié)構(gòu)、光譜吸收結(jié)構(gòu)、表面等離子體共振結(jié)構(gòu)[3-4]等。它們的檢測原理基本相同,都是利用待測氣體的濃度變化引起傳播光特性改變的原理,是一種間接測量的方法[5-6]。

        SPR-PCF傳感器不僅可以監(jiān)測人們?nèi)粘I钪械目諝庵笜?biāo),也可以對工業(yè)生產(chǎn)中的有害有毒氣體進(jìn)行實時監(jiān)控,因此市場需求量很大。Ritari等[7]提出并驗證了光子晶體光纖氣體傳感器的可行性,設(shè)計出比傳統(tǒng)光纖氣體傳感器具有更高靈敏度和高線性度的乙炔氣體傳感器。Wang等[8]研究了使用干涉法將鍍鈀膜的布拉格光柵用于氫氣的檢測,光譜靈敏度(氫氣體積分?jǐn)?shù)每變化1%時,光纖纖芯損耗峰共振波長移動距離)為0.07 nm。陸志峰等[9]將該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,研制了光譜靈敏度為0.216 nm的傳感器。孫超等[10]提出并驗證了一種無芯結(jié)構(gòu)的反射式光子晶體光纖甲烷氣體傳感器,在甲烷體積分?jǐn)?shù)為0~1.5%時,光譜靈敏度為0.85 nm。Yang等[11]研制了一種新型光子晶體光纖甲烷氣體傳感器,應(yīng)用一種甲烷敏感薄膜材料,當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為0~3.5%時具有極高的靈敏度與線性度。王猛[3]研制了一種SPR-PCF甲烷氣體傳感器,在金屬薄膜內(nèi)部涂覆甲烷氣敏材料,光譜靈敏度達(dá)到1.18 nm。

        本文中提出并仿真驗證一種D型結(jié)構(gòu)的SPR-PCF氣體傳感器,將金屬材料等體積、等間距地平行沉積于D型光纖的拋磨表面,同時選擇甲烷敏感材料涂覆于光纖與金屬表面。利用D型結(jié)構(gòu)使得甲烷敏感材料與甲烷氣體充分反應(yīng),研究等比例排列的金屬條對金屬與甲烷敏感材料的接觸面積,以及SPR-PCF甲烷氣體傳感器的靈敏度的影響。

        1 理論分析

        SPR-PCF甲烷氣體傳感器截面如圖1所示。其中紫色部分為甲烷氣體通道,紅褐色部分為氣體敏感材料,黃色部分為金屬材料,灰色與白色部分分別為2種尺寸的空氣孔,藍(lán)色部分為光纖基底材料,不同部分對應(yīng)的折射率是不同的。

        d1、d2—空氣孔直徑; Λ—相鄰空氣孔間距; tg—金屬條厚度。圖1 基于表面等離子體共振的光子晶體光纖甲烷氣體傳感器截面

        D型金屬條結(jié)構(gòu)的SPR-PCF甲烷傳感器制作工藝相對簡單,主要包括2種尺寸的空氣孔,內(nèi)部填充空氣,折射率取值為1;纖芯正上方的2個空氣孔的直徑為d2,取值為1.2 μm,其余空氣孔直徑為d1,取值為1.5 μm; 相鄰空氣孔間距為Λ,取值為3 μm; 長方形金屬條厚度為tg,取值為50 nm。

        甲烷的檢測對氣體敏感材料依賴性較強(qiáng),但是傳感材料通常具有廣譜性,對多種氣體都有響應(yīng)。本文中所采用的甲烷敏感材料是由Cryptophane A與紫外線固化的氟硅氧烷(UVCFS)制備的一種氣體敏感材料[5]。Cryptophane A是一種僅對小分子烷烴具有吸附作用的特殊聚合物,在薄膜厚度為100~280 nm時,該敏感材料的折射率與甲烷氣體濃度呈線性變化,如圖2[5]所示。

        圖2 甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)與敏感材料折射率的關(guān)系[5]

        當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為0~3%時,該敏感材料的折射率nCH4與甲烷氣體濃度呈負(fù)相關(guān),即

        nCH4=1.447 8-0.003 8φCH4

        (1)

        式中φCH4為甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)。

        傳感裝置的主要背景材料是熔融石英,其波長相關(guān)折射率通過Sellmeier方程[12]計算得到,

        (2)

        式中:n為熔融石英的波長相關(guān)折射率;λ為入射波長;B1、B2、B3、C1、C2、C3均為Sellmeier常數(shù)。

        金屬材料的材質(zhì)為金,其相關(guān)介電常數(shù)可由Drude-Lorentz公式[13]計算得到,即

        (3)

        式中:ε1、ε2分別為相關(guān)介電常數(shù)ε的實部和虛部; 金屬介電常數(shù)ε∞的值為9.84;ω為入射波長的頻率; 等離子體頻率ωp的值為1.36×1016rad/s;阻尼頻率ωc取值為1.45×1014rad/s.

        光纖纖芯損耗L計算公式[14]為

        (4)

        式中Im(neff)為光纖有效折射率neff的虛部。

        2 模擬參數(shù)優(yōu)化

        SPR-PCF甲烷氣體傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定傳感性能,因此,需要通過實驗?zāi)M仿真來選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),使傳感器性能達(dá)到最佳。本文中主要通過全矢量有限元軟件COMSOL對傳感器進(jìn)行模擬運(yùn)算,并使用光譜分析法及控制變量法對傳感器性能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。因為金屬條位于纖芯Y偏振方向,所以本文中損耗光譜所顯示的損耗曲線都是纖芯Y偏振模損耗曲線。在對光纖2種空氣孔直徑d1、d2,相鄰空氣孔間距Λ及金納米條厚度tg進(jìn)行實驗?zāi)M仿真過程中,其他參數(shù)取值不變,結(jié)果如圖3所示。

        光纖纖芯損耗隨空氣孔直徑d1的變化關(guān)系如圖3(a)所示。由圖可以看出,隨著空氣孔直徑d1的增大,纖芯損耗共振波長向長波長方向移動,即由1.02 μm增大到1.03 μm,損耗峰值減小,由162.54 dB/cm減小到151.45 dB/cm,表明氣孔直徑d1的增大對于纖芯損耗共振波長的影響較小,但是損耗降幅較大,可以用來調(diào)節(jié)Y偏振方向的纖芯損耗。

        纖芯損耗隨空氣孔直徑d2的變化關(guān)系如圖3(b)所示。由圖可以看出,隨著空氣孔直徑d2的增大,纖芯損耗峰的共振波長向長波長方向移動,即由1.01 μm增大到1.05 μm,損耗峰值不斷減小,由175.99 dB/cm減小到138.59 dB/cm,原因是空氣孔直徑d2的增大抑制了基模與等離子模之間的耦合,將光束進(jìn)一步束縛在了纖芯中。

        (a)空氣孔直徑d1

        (b)空氣孔直徑d2

        (c)相鄰空氣孔間距Λ

        (d)金納米條厚度tg圖3 光纖纖芯損耗與2種空氣孔直徑、相鄰空氣孔間距、金納米條厚度的關(guān)系

        為了使SPR-PCF甲烷氣體傳感器工作在相應(yīng)通信波長范圍,且性能優(yōu)異,模型中空氣孔直徑d1、d2分別取為1.5、1.2 μm。

        相鄰空氣孔間距Λ也是氣體傳感器中重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。纖芯損耗與相鄰空氣孔間距Λ之間的關(guān)系如圖3(c)所示。由圖可以看出,空氣孔間距Λ由2.95 μm增大到3.05 μm時,共振波長向短波長方向移動,即由1.04 μm減小到1.02 μm,纖芯損耗峰值由159.97 dB/cm增大到163.69 dB/cm。為了避免限制損耗過大對傳感性能產(chǎn)生影響,模型中相鄰空氣孔間距Λ取為3 μm。

        等離子體材料的厚度對傳感器性能也有顯著影響。圖3(d)所示為纖芯損耗與金納米條厚度tg的關(guān)系。由圖可看出,當(dāng)金納米條厚度由45 nm增大到55 nm時,損耗光譜發(fā)生紅移,波長由0.95 μm增大到1.09 μm,纖芯損耗峰值增大,即由136.01 dB/cm增大到171.36 dB/cm。為了取得最佳傳感效果,模型中金納米條厚度tg取為50 nm。

        3 結(jié)果與分析

        光纖纖芯損耗、折射率隨入射波長的變化如圖4所示。設(shè)置待檢測的甲烷體積分?jǐn)?shù)為2%,選取最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。從圖中可以看出,當(dāng)波長為1.03 μm時,纖芯損耗達(dá)到峰值,等離子體模與基模折射率相等,發(fā)生了相位匹配,這時的入射波長即為SPR-PCF甲烷氣體傳感器共振波長。當(dāng)入射波長未達(dá)到1.03 μm時,等離子體模的折射率大于基模的,纖芯能量不斷向金屬條移動,損耗逐漸增大;當(dāng)入射波長達(dá)到1.03 μm時,基模折射率大于等離子體模的,能量逐漸回歸纖芯,損耗不斷減小。利用纖芯損耗光譜檢測不同氣體濃度時,纖芯損耗共振波長發(fā)生相應(yīng)變化,這是光纖傳感關(guān)鍵所在。

        圖4 光纖纖芯損耗、折射率隨入射波長的變化

        纖芯損耗與甲烷氣體濃度的關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出,隨著甲烷氣體濃度增大,損耗光譜共振波長由1.05 μm減小到1.02 μm,即向短波長方向移動,纖芯損耗峰值增大。

        圖5 光纖纖芯損耗與甲烷氣體濃度的關(guān)系

        對纖芯損耗光譜共振波長與甲烷氣體濃度的關(guān)系進(jìn)行線性擬合,得到相同厚度金屬涂層(光纖側(cè)拋表面完全涂覆金屬)結(jié)構(gòu)與金屬條結(jié)構(gòu)的共振波長關(guān)系,如圖6所示。根據(jù)圖中線性關(guān)系進(jìn)行計算,當(dāng)金屬材料結(jié)構(gòu)為金屬條時,平均光譜靈敏度為10 nm; 當(dāng)金屬材料結(jié)構(gòu)為金屬涂層時,平均光譜靈敏度為4 nm。由此得出,金屬材料采用金屬條結(jié)構(gòu)的傳感性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬層結(jié)構(gòu)的。

        圖6 不同敏感材料結(jié)構(gòu)的甲烷氣體濃度與共振波長的關(guān)系

        4 結(jié)語

        本文中提出并仿真驗證了一種具有高靈敏度的D型結(jié)構(gòu)SPR-PCF甲烷氣體傳感器,傳感器拋磨表面外側(cè)設(shè)置金納米條,改善了器件的靈敏度。氣體敏感材料位于SPR-PCF甲烷氣體傳感器結(jié)構(gòu)外側(cè),與傳統(tǒng)的氣體傳感裝置相比,D型結(jié)構(gòu)SPR-PCF甲烷氣體傳感器結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,在近紅外波段,當(dāng)甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)為0~3%時,能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度傳感,平均光譜靈敏度可達(dá)到10 nm。

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