本文于2023年9月29日在线发表于期刊《photonics and nanostructures - fundamentals and applications》第57卷，论文标题为“基于光子晶体光纤的双核增强型表面等离子体共振传感技术用于高折射率液体检测”（dual-core-enhanced surface plasmon resonance for sensing high refractive index liquid based on photonic crystal fiber）。论文的主要作者为Yundan Xia、Kaiyan Bi、Yushuo Duan、Meijie Shi以及通讯作者Exian Liu*，他们均来自中国长沙的中南林业科技大学计算机与信息工程学院。
本研究的学术背景属于光纤传感与光子学领域，具体聚焦于表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance， SPR）传感器技术的创新与发展。表面等离子体共振是一种发生在金属与电介质界面处的光学现象，当入射光的倏逝波与金属表面的等离子体波发生共振时，会导致反射或透射光谱出现显著的峰或谷。这一共振特性对周围介质的折射率变化极为敏感，从而为高精度生化传感提供了理论基础。传统SPR传感器通常基于Kretschmann棱镜结构，但其体积庞大，限制了在生物医学检测和小空间环境中的应用。相比之下，光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber， PCF）具有结构小型化、设计灵活、单模传输和大模场面积等优势，成为构建高性能SPR传感器的理想平台。然而，现有的基于单核PCF的SPR传感器，其检测范围大多局限于低折射率（通常<1.45）液体，难以有效检测诸如聚甲基苯基硅氧烷、葡萄糖、苯和DNA等高折射率（>1.45）分析物。虽然已有一些采用双核PCF或空气芯PCF的设计试图拓宽检测范围，但其在高折射率区域的灵敏度通常较低（例如在折射率>1.50时灵敏度仅约3000 nm/RIU），且检测范围宽度有限。因此，本研究的目的是通过理论设计和数值模拟，提出并验证一种基于双核光子晶体光纤的新型SPR传感器，旨在实现对1.45至1.58宽范围内高折射率液体的高灵敏度、高分辨率检测，以满足生物检测、环境监测和化学分析等领域对高性能传感器的迫切需求。
本研究是一项理论设计与数值分析工作，其核心工作流程包括模型构建、理论分析、数值仿真、性能评估及参数优化几个相互关联的环节。研究未涉及实体实验，而是通过严格的计算机仿真来验证设计方案的可行性和优越性。
首先，在模型构建与理论分析阶段，研究团队提出了一种新颖的双核PCF-SPR传感器结构。该结构的核心特征是在PCF横截面中心设置了一个较大的空气孔，其内壁镀有金薄膜，并且该中心孔的两侧对称地构建了两个光波导纤芯。这种双核设计旨在利用两个纤芯模式产生的倏逝场，同时激发金膜两侧的自由电子，从而有效增强纤芯模式与表面等离子体激元（Surface Plasmon Polariton， SPP）模式之间的耦合效应。背景材料为纯二氧化硅。研究中，光纤包层空气孔按三角形晶格周期性排列，定义了晶格常数a、包层空气孔直径d、中心大孔直径D以及金膜厚度t等关键结构参数。为了进行仿真计算，研究采用了有限元法（Finite Element Method， FEM）来求解麦克斯韦方程组。在仿真设置中，引入了完美匹配层以吸收散射光，并设置了精细的三角形网格以保障计算精度。理论部分明确了SPR现象的发生条件，即纤芯导模与SPP模式之间的相位匹配。当发生共振时，纤芯模式能量会转移至金属表面的等离子体波，导致在共振波长处出现显著的损耗峰。损耗值通过公式计算，与模式有效折射率的虚部成正比。当分析物的折射率变化时，相位匹配条件随之改变，导致损耗峰发生漂移，通过监测这一漂移量即可实现折射率传感。
其次，在数值仿真与模式分析阶段，研究团队设定了初始最优结构参数（a = 2.0 μm， d = 1.0 μm， D = 1.6 μm， t = 40 nm），并以分析物折射率na=1.47为例，系统分析了可能被激发的SPP模式。计算结果显示，在研究的波长范围内，纤芯基模可以激发零阶、一阶和二阶SPP模式。通过比较各阶模式的损耗峰幅度、可实现的灵敏度以及检测范围，研究发现一阶SPP模式在耦合强度和最终传感性能上最具优势。具体表现为，其一阶x偏振SPP模式与x偏振纤芯基模的色散曲线在特定波长（如na=1.47时λ=1.219 μm）相交，此时耦合最强，电场分布图也清晰地显示了能量从纤芯向金属表面SPP模式的有效转移。因此，研究选定一阶SPP模式作为传感信号来源。
第三，在传感性能评估阶段，研究在最优结构参数下，系统仿真了分析物折射率从1.45变化到1.58时的损耗光谱。结果表明，随着折射率升高，损耗峰明显向长波长方向（红移），且峰位移动与折射率变化之间呈现出良好的线性关系，拟合公式为λp = 10na - 13.46。基于波长询问法，该传感器的最大灵敏度高达11400 nm/RIU，平均灵敏度达到9538 nm/RIU，传感分辨率高达8.77 × 10^-6 RIU。这些数值显著优于文中引用的多种其他PCF-SPR传感器设计。此外，该传感器在1.45-1.58的宽折射率范围内实现了有效检测。
第四，在结构参数依赖性研究阶段，研究采用控制变量法，逐一分析了包层小孔直径d、中心大孔直径D、晶格常数a和金膜厚度t对传感器性能（主要是共振波长和损耗谱形状）的影响。研究发现：1) 随着d增大，共振波长发生红移，但损耗峰变化较小，最终选择d=1.0 μm作为优化值。2) 随着D增大，共振波长同样红移，选择D=1.6 μm作为优化值。3) 随着a增大，共振波长发生蓝移，且损耗峰半高全宽变窄，选择a=2.0 μm作为优化值。4) 随着金膜厚度t从20 nm增加到60 nm，共振波长发生红移，但厚度过大会削弱SPR效应，因此选择t=40 nm作为兼顾尖锐损耗峰和足够损耗深度的优化值。研究进一步量化了共振波长与各结构参数的关系，发现其与d、D、a呈线性关系（结构灵敏度分别为154 nm/μm， 720 nm/μm和-250 nm/μm），而与t呈先快后慢的非线性关系。这些分析为实际光纤制备过程中参数的精确控制提供了重要的工程指导。
最后，在综合性能指标对比阶段，研究计算了传感器的品质因数（Figure of Merit， FOM），该指标综合考虑了灵敏度与损耗峰宽度。在最优金膜厚度下，传感器的平均FOM达到355.1 RIU^-1，最大FOM可达823 RIU^-1，均优于文中对比的多种传感器设计。论文还在表格中将所提出传感器的关键性能指标（折射率范围、最大/平均灵敏度、分辨率）与七种已报道的等离子体光纤传感器进行了横向对比，突出显示了本研究在宽范围高折射率检测方面同时实现高灵敏度与高分辨率的综合优势。
本研究的结论是，通过理论设计一种具有中心镀金大孔和对称双核结构的光子晶体光纤，成功提出了一种用于高折射率液体检测的新型SPR传感器。数值模拟证明，该传感器在1.45至1.58的宽高折射率范围内，能够实现高达11400 nm/RIU的最大灵敏度、9538 nm/RIU的平均灵敏度以及8.77×10^-6 RIU的高分辨率，同时具备优异的品质因数。传感器性能对结构参数具有规律性的依赖关系，这为实际器件的优化和制备指明了方向。
本研究的科学价值在于创新性地将双核增强耦合机制应用于PCF-SPR传感器设计，为解决传统单核传感器在高折射率区域灵敏度不足、检测范围窄的问题提供了有效的理论方案，深化了人们对复杂PCF结构中模式耦合与SPR效应之间关系的理解。其应用价值十分显著，所提出的传感器在需要检测高折射率液体的诸多领域，如生物分子检测（如高浓度DNA溶液）、环境污染物监测（如特定有机化合物）以及工业化学分析中，都具有巨大的应用潜力。论文还简要讨论了该传感器可能的制备工艺（如堆叠拉丝法、化学气相沉积法）和液体填充方法，为其从理论走向实际应用提供了可行性思路。
本研究的亮点主要体现在以下几个方面：第一，研究目标具有明确的针对性和前沿性：专注于解决高折射率液体传感这一现有技术的难点，拓宽了PCF-SPR传感器的应用边界。第二，结构设计新颖且机理清晰：提出的“中心镀金孔+双侧对称双核”结构是核心创新点，通过双核模式协同增强SPP耦合的物理机制明确，并通过电场分布仿真得到了直观验证。第三，综合性能突出：在保证宽检测范围（0.13 RIU）的同时，实现了极高的灵敏度（>9500 nm/RIU均值）和分辨率，多项指标在对比中处于领先地位。第四，分析全面系统：不仅给出了最终优化性能，还系统深入地研究了各个关键结构参数对传感性能的影响规律，并进行了量化分析，这对指导实际器件制作具有重要参考价值。第五，理论联系实际：在讨论部分考虑了实际制备和实验设置的可行性，提升了研究的实用价值。
此外，论文中关于如何选择最优SPP模式（一阶优于零阶和二阶）的分析过程，也体现了研究工作的细致和严谨性，这对于设计高性能SPR传感器具有普遍的指导意义。这项研究为高性能、宽范围折射率传感提供了一种富有前景的理论设计方案，并对后续相关研究和器件开发具有重要的启发和参考价值。