文 | 煜捷史馆
编辑 | 煜捷史馆
-＜光子晶体光纤＞-
近几十年来，光子晶体光纤（PCFs）已经成为光学领域的一个热门话题。
由于其体积小、重量轻、灵敏度高、耐腐蚀、设计灵活、电绝缘性好、抗电磁干扰等可取之处，PCFs已被广泛地应用于生物医学、环境监测和控制、化学测试、食品安全测试等领域。
经过几代传感技术的变革，基于PCF的表面等离子体共振（PCF-SPR）传感器已成为引人注目的研究重点。PCF的整体性能使它们适合于宽带传输和各种波导应用。
接下来，煜捷将为你讲述Au-GO复合材料与光子晶体光纤的结合，展现出了怎样的突出特点。
PCR-SPR传感器，即在PCF的气孔内壁镀上一层金属薄膜，填充气孔的测试液体与金属薄膜激发的表面质子耦合。
仿真结果显示，这种传感器的分辨率达到10-4折射率单位（RIU）。
它们在很大程度上解决了传统光纤SPR传感器中遇到的相位匹配困难和物理参数交叉敏感的问题。
自从英国首次通过微机械分离法从石墨中制备出单片石墨烯以来，关于石墨烯及其衍生物的研究成为近年来人们关注的话题。
关于GO的制备技术，很多人做了相关报道。通过应用Hummers方法、蛋白质辅助制造技术、化学还原法，在实验室环境中制备GO是可行的。
一种改进的制备GO的方法，这种新方法不会产生有毒气体，而且温度容易控制。
通过应用简单的化学方法、一步法，就有可能在PCF上沉积GO。在GO/石墨烯涂层的PCF上使用金属材料可以优化传统的基于PCF的传感器的性能。
例如，在SPR传感器中使用石墨烯作为Au或Ag的替代材料，并在Ni基底上合成了多层石墨烯薄膜，以开发具有更高灵敏度的光纤传感器。
在光纤传感方面，由于PCF结构的灵活设计和SPR传感技术的高灵敏度的优势，PCR-SPR传感器的灵敏度和精度都高于传统的光纤传感器。
利用高折射率的甘油液体制备了PCF-SPR温度传感器，实现了低至4×10-6 RIU的低温分辨率。
用液体乙醇填充椭圆气孔，设计了一个具有高双折射的PCF温度传感器。
然而，尽管关于PCR-SPR温度传感器的研究很多，但在工程应用中，对温度传感器的行为要求更加严格。
因此，我们钻研了一种具有高双折射的双孔芯PCF-SPR温度传感器。
将SPR传感技术与PCF相结合，在PCF中心孔的内壁上镀上一层金膜，然后进一步用GO覆盖，并填充具有高温度敏感系数的甲苯液体来实现传感。
考虑到背景衬底的折射率、气孔的大小和金膜的厚度的影响，以确保准确性。
这些结果可以为有关高灵敏度PCF传感单元的研究和开发提供实验基础和理论参考。
-＜模型结构＞-
采用全矢量有限元仿真软件COMSOL Multiphysics来设计具有双孔核心结构的PCF。
该结构包含5层气孔，在结构的中心有一个直径为dc的小气孔。
为了在PCF中引入高双折射，在中心气孔周围设计了四层大大小小的圆形气孔，这极大地破坏了PCF的中心对称性。
在第二层和第三层，省略了两个气孔，使模式场能量集中在两端，形成一个双孔核心。
结构中心的气孔被用作SPR的传感通道，内侧壁首先被镀上金金属层，然后被GO覆盖。
在注入高度温度敏感的液体--甲苯后，这个传感通道可以通过Au-GO复合方法用于SPR，进行传感分析和研究。
前两层气孔比后两层气孔小，使蒸发波更充分地接触金属膜，提高传感灵敏度。
相邻气孔之间的间隔，t_period，固定为2.0μm。
该PCF的基底是熔融石英；因此，背景基底材料相当于石英。
金金属薄膜的厚度为t_Au。单层GO的厚度非常薄，只有0.34纳米。
该结构的最外层是完全匹配层（PML），用于限制光的传播，控制该PCF传感器中研究和分析的光线。
对于温度传感研究，必须考虑基底材料的温度。对这种材料的分析是由Sellmeier方程得出的，如公式（1）所示。
-＜结果与讨论＞-
下图描述了SPR模式和基本核心引导模式的折射率和共振谱的行为。
红色曲线表示双核基本模式的约束损失。黑色虚线和黑色虚线分别代表SPR模式和基本核心引导模式的有效模式折射率的实部，这两个模式的折射率随着入射波长的增加而降低。
由于芯导模式和SPR模式之间的耦合，一个明显的损耗峰出现在1220纳米。
两条黑线也在1200纳米处相交，从而验证了相位匹配现象。
此外，对应于图中标有(a)、(b)、(c)和(d)四个位置的四个插图显示了PCF-SPR传感器中的模式场随着波长的增加而发生的变化。
插图（c）显示，当等离子体共振效应达到最大时，PCF-SPR传感器模型中的能量已经从原来的双孔核心结构完全转移到中心孔的金属层和GO层的边界。
光纤的几何形状对传感器的光学性能有很大影响。
图中描述了具有不同直径d1的小内层气孔的微结构PCF传感器的损耗光谱。
随着直径d1从0.6μm增加到1.35μm，共振波长逐渐增加，小增量为Δλd1=14nm。
然而，谐振损耗的峰值同时也大大降低，振幅变化为ΔdBd1 = 953 dB/cm。
内层气孔的直径d1越大，包层的光限制效应就越大，导致从双孔核心向金属和GO层方向泄漏的光越少。
因此，谐振强度被削弱了。
在上图中，很明显，当外层大气孔的直径d2从1.4μm增加到2.4μm时，共振强度增加，共振波长向更长的波长移动，从940nm到1540nm，表明出现了红移。
在微结构的PCF-SPR光波导中，外面的两层大气孔约束了光波的损耗，并使蒸发波与金属和GO层发生高强度的相互作用。
因此，外层大气孔对蒸发波的约束作用明显强于内层小气孔的约束作用，导致当内两层小气孔的直径d1固定时，损失值随着d2的增加而持续增加。
与之前不同的是，谐振波长也有明显的移动。同样，改变中心传感通道的气孔直径dc所引起的损耗谱的变化也显示在下图中。
损耗光谱显示，随着直径dc的增加，共振峰出现正向移动。
例如，对应于最大dc的粉色曲线向长波长移动，而对应于最小dc的黑色曲线则向短波长移动。
随着dc的增加，对波导中基本模式的光场能量有了更强的约束。
因此，在蒸发场的作用下，当基模的有效折射率与金属和GO涂层表面的有效折射率相同时，即发生相位匹配时，从基模转移到金属层表面的能量增加。
因此，有理由推断，随着中心孔直径dc的增加，传感器损失光谱中的谐振峰将变得更加陡峭。
下图描述了不同的气孔间距值，t_period的基本模式的损失峰值。
当气孔间距从1.8μm增加到2.3μm时，共振峰的振幅从7724 dB/cm增加到19672 dB/cm，变得更高、更窄。
此外，随着气孔间距从1.8微米到2.3微米的变化，谐振波长从935纳米红移到1526纳米。
气孔的空间周期决定了光波导中蒸发场的分布，从而影响了蒸发波与金和GO涂层表面的质子共振。
因此，设计的传感器的行为可以通过调整气孔的间距来优化。
除了PCF的结构参数外，还研究了金层厚度对损耗光谱的影响，相应的结果显示在图中。
随着金金属层的厚度从30纳米增加到60纳米，损耗峰的高度从30纳米的9675 dB/cm下降到60纳米的3507 dB/cm。
随着金膜变厚，由蒸发场激发的蒸发波更难穿过金属表面，与传感通道中的金属一起激发SPR，导致SPR响应减弱。
因此，金膜的厚度对表面等离子体波也有至关重要的影响。
当t_G=1-7时，共振波长可以在940纳米和1060纳米之间调节，而在t_G=8-10的范围内，共振波长在975纳米到1050纳米之间变化。
这是因为GO在中红外波段更敏感；因此，这种微结构PCF-SPR传感器系统的共振损失峰的可能位置也大多集中在这个波段。
随着t_G的增加，共振峰的振幅从t_G=1时的21046 dB/cm增加到t_G=7时的24937 dB/cm。
相反，随着t_G的进一步增加，峰值振幅从t_G=8时的7513 dB/cm陡然下降到t_G=10时的6247 dB/cm。
支撑这一现象的物理解释是，一旦GO层数超过6层，GO的吸收特性就开始下降，同时，它的特性变得更接近于碳原子的特性。
当GO层数达到大约10层时，损耗的峰值将很低，并且共振将逐渐减弱。
下图进一步说明了共振波长与GO层数的关系。
当GO层的数量足够少时，随着t_G的增加，共振波长会发生红移，并且随着温度的增加也会观察到逐渐的红移，如图（a）所示。
还应该注意的是，随着GO层数的增加，GO本身的性质也在逐步变化，并慢慢接近碳原子的性质；
因此，在t_G=7时，观察到温度感应曲线的趋势发生了突变，这与t_G=2时的曲线接近。图(b)显示了较高的GO厚度的温度感应图，它与较少的GO层的温度感应图明显不同。
线性拟合和数值计算的结果表明，t_G = 7的感应曲线与t_G = 8的感应曲线相似。
此外，t_G = 9和t_G = 10的感应曲线趋于平缓，只显示了共振波长的微小变化。
由GO和金膜共同激发SPR的现象仍然存在，但相对来说并不明显，因为GO的特性接近于碳原子的特性。
由于以金作为SPR的激发源的SPR温度传感性能，金材料的特性直接决定了传感器的性能。
因此，研究金薄膜的厚度t_Au对有效模式场区的影响是非常必要的。
PCF波导透镜中的有效模式场面积随着温度和金薄膜厚度的增加而增加。
值得指出的是，一旦温度增加到45℃以上，有效模式场面积的累积曲线就会显示出突然的上升。
对这种行为的解释是，甲苯（一种对温度敏感的液体）的折射率随着温度的升高而降低，并接近熔融石英的折射率，从而减少了包层和双孔核心之间的折射率差异，导致对光的约束作用降低。
我们还检查了色散对温度的依赖性，图中的红色虚线显示了这一点。温度的增加会导致色散的减少。
-＜结论＞-
本文提出了一种新型的具有双孔芯的微结构PCF-SPR温度传感器。
不对称的结构设计和在金属涂层表面沉积GO层形成Au-GO复合结构，不仅保护了金属表面不容易被氧化，而且大大提高了传感器的灵敏度和双折射率。
应用全矢量有限元软件COMSOL Multiphysics分析了在PCF传感器中不同的气孔尺寸、气孔间距、金属层厚度和GO厚度下，损失光谱中的共振波长与温度之间的关系。
数值分析结果表明，传感结构的双折射率可以达到0.0052。
此外，该传感器在0℃至80℃的温度范围内，平均灵敏度可以达到-12.695 nm/℃，相应的分辨率为0.00725℃，比不含GO的类似传感器单元的灵敏度更高。
本文提出的PCF-SPR温度传感器具有极大的温度传感性能，这里报告的结果可以作为理论基础和指导未来的实验研究。
