CN103335985A - 准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于光纤传感、光纤通信领域的一种准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器及制备方法。该传感器由接口和传感元件构成，传感元件由光纤纤芯外面包激励层、调制层包在激励层外面，激励层和调制层构成传感层，在每一个激励层的尾端写入光纤光栅。本发明解决了信号处理系统结构复杂、灵敏度较低，不利于传感探头的微型化的问题。能够对各种入侵事件及时识别响应，具有长距离监控、高精度定位功能、低能源依赖性、高环境耐受性、抗电磁干扰、抗腐蚀等特性，同时可以根据所需监测区域大小，选择表面等离子体共振传感器的距离。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感、光纤通信领域，特别涉及一种准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器及制备方法。
背景技术
表面等离子体共振(SPR)效应是一种发生在金属与电介质分界面的物理光学现象,它对外界环境的变化非常敏感。光纤表面等离子体共振传感器是将光纤技术和表面等离子体共振效应巧妙结合在一起的新型光纤传感结构。当纤芯中传播的宽带p偏振光信号到达表面等离子体共振效应敏感部位时,由于金属本身的复介电性,将会部分渗透入金属内部形成隐失波。当某一波长入射光的水平方向波矢Kx与处于金层/液体分界面的表面等离子体波矢量Ksp相匹配时,自由电子吸收此波长光子的能量,导致反射光强在对应波长附近出现大幅能量衰减,形成特有的表面等离子体共振波谷。通过判断共振波谷位置的变化，就可以判断是否有干扰信号发生。
采用了光纤光栅技术的光纤表面等离子体共振传感器除了具有光纤表面等离子体共振传感器的优点外，它还可以很方便的使用波分复用技术、时分复用技术和空间复用技术构成传感网络，实现多点测量。专利03113077.1提出一种纵向分布式表面等离子体波传感器，该装置需要在导光纤维端部设有反射镜，这种方法信号处理系统结构复杂、灵敏度较低,不利于传感探头的微型化。目前基于光纤光栅或光纤表面等离子体共振技术的传感器为传感领域的研究热点，但是基于光纤光栅和光纤表面等离子体共振技术的准分布式传感器未见成熟产品和技术报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器及制备方法，其特征在于，该传感器由接口1和传感元件构成，所述传感元件由光纤纤芯2外面包激励层4、调制层6包在激励层4外面，激励层4和调制层6构成传感层，在每一个激励层的尾端写入光纤光栅5，光纤纤芯2被光纤光栅5分割为多段，包层3覆于包有光纤光栅5的部分光纤纤芯2的外周表面上、构成一个传感器，然后多个串联后与接口1连接，
所述光纤光栅5的反射波长与传感层的共振波长相同。
所述各个激励层的厚度不同，其共振波长分别为λ1λ2……λn，在每个激励层末端的纤芯中写入光纤光栅，其反射波长分别为λ1λ2……λn。
所述准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，根据光纤芯径、折射率及材料，选择合适的光纤；
步骤二，包层3覆于光纤纤芯2外面；
步骤三，根据实际适用情形确定所需激励层的数量、长度和形状，根据激励层的数量、长度和形状将包层3用硫酸腐蚀掉，形成多段裸露的光纤纤芯表面；
步骤四，对每一段裸露的光纤纤芯2表面蒸镀金属薄膜作为激励层4；
步骤五在激励层4上面蒸镀光学薄膜材料作为调制层6,激励层4和调制层6构成传感层，以实现对共振效果的调节；
步骤六然后再每个传感层的尾端的光纤纤芯中写入光纤光栅5，多个传感层串联形成等离子体共振传感器，其光纤光栅5反射波长与其前面传感层的共振波长相同。
所述在光纤表面的激励层可以采用金、银、铝或铜；根据不同环境要求，采用不同的金属。
所述作为调制层蒸镀的光学薄膜材料依照实际检测环境和待测介质选择MgF2,SiO,SiO2,TiO2,Ta2O5,ZrO2或ZnS；光学薄膜材料应该具有膜层牢固、温度稳定性良好、化学性能稳定,能耐强酸和强碱的优点。
所述传感层的厚度和长度是设计准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器的关键，传感层长度和厚度与共振波长的关系通过实验获得。
本发明的有益效果：本发明提出的准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器能够对各种入侵事件及时识别响应，具有长距离监控、高精度定位功能、低能源依赖性、高环境耐受性、抗电磁干扰、抗腐蚀等特性，同时可以根据所需监测区域大小，选择表面等离子体共振传感器的距离。例如当本系统应用危险气体预警时，可以根据空间大小来选择表面等离子体共振传感器之间距离，当第i个空间发生危险气体泄漏时，光电探测器就会检测到波长为λi的共振波谷发生移动，而其它波长的共振波谷不发生变化，进而可以确定危险气体泄漏发生的房间，及时采取相应的措施。
附图说明
图1为准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器结构示意图。
图2为图1结构的A-A剖视图。
图3为矩形激励层的准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器结构示意图。
图4为图3结构的B-B剖视图。
图5为激励层为三角形的准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器结构示意图。
图6为图5结构的C-C剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例一，准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器，如图1、图2所示，该准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器经过如下步骤进行制备：
步骤一，根据光纤芯径、折射率及材料，选择合适的光纤；
步骤二，包层3覆于光纤纤芯2外面；
步骤三，根据实际适用情形确定所需激励层的数量、长度和形状，根据激励层的数量、长度和形状将包层3用硫酸腐蚀掉，形成多段裸露的光纤纤芯表面；
步骤四，对每一段裸露的光纤纤芯2表面蒸镀金属薄膜作为激励层4；
步骤五在激励层4上面蒸镀光学薄膜材料作为调制层6,激励层4和调制层6构成传感层，以实现对共振效果的调节；
步骤六然后再每个传感层的尾端的光纤纤芯中写入光纤光栅5，多个传感层串联形成等离子体共振传感器，其光纤光栅5反射波长与其前面传感层的共振波长相同。
本实施例所述的光源为LED光源，采用芯径为600μm的多模光纤作为激励基体，其数值孔径为0.37，光纤长度为5km,传感层长度都为30mm，传感层厚度为50nm、60nm、75nmm等，光栅之间距离为5m，根据实验得到传感层共振波长和光纤光栅的反射波长分别为561nm、653nm、769nm等，光纤光栅反射率使用范围为0%～100%，本发明取此范围内任意反射率，可以相同，也可以不同。
实施例二，如图3、图4所示，激励层为矩形的准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器，制备步骤与实施例一相同。
本实施例所述的光源为LD光源，采用芯径为600μm的多模光纤作为激励基体，其数值孔径为0.37，光纤长度为30km，光纤光栅之间距离为700m，传感层的长度为86mm、95mm、115mm等，光纤光栅的反射波长取1310nm、1315nm、1326nm等，反射率使用范围为0%～100%，本发明取此范围内任意反射率，可以相同，也可以不同。
实施例三，如图5、图6所示，激励层为三角形的准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器，制备步骤与实施例一相同。
本实施例所述的光源为ASE宽带光源，采用芯径为600μm的多模光纤作为激励基体，其数值孔径为0.37，光纤长度为100km，光纤光栅之间距离为980m，传感层的长度为126mm、135mm、150mm等，光纤光栅反射波长取1550nm、1559nm、1570nm等，反射率使用范围为0%～100%，本发明取此范围内任意反射率，可以相同，也可以不同。
本发明的光源可以使用C、L、O、E波段的多波长光源，传感层的长度、厚度、距离和形状可以根据实际适用情形选取，所使用的器件均为市售器件。上述内容仅是对本发明较佳实施例的详细说明，而本发明的保护范围并不限于上述内容，本领域的技术人员可以根据本方明的思想，对本发明进行各种变形和修饰，这些应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器，其特征在于，该传感器由接口（1）和传感元件构成，所述传感元件由光纤纤芯（2）外面包激励层（4）、调制层（6）包在激励层（4）外面，激励层（4）和调制层（6）构成传感层，在每一个激励层的尾端写入光纤光栅（5），光纤纤芯（2）被光纤光栅（5）分割为多段，包层（3）覆于包有光纤光栅（5）的部分光纤纤芯（2）的外周表面上、构成一个传感器，然后多个串联后与接口（1）连接。
2.根据权利要求1所述的准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述光纤光栅（5）的反射波长与传感层的共振波长相同。
3.根据权利要求1所述的准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述各个激励层的厚度不同，其共振波长分别为λ1λ2……λn，在每个激励层末端的纤芯中写入光纤光栅，其反射波长分别为λ1λ2……λn。
4.一种权利要求1所述的准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器的制备方法，其特征在于，所述准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，根据光纤芯径、折射率及材料，选择合适的光纤；
步骤二，包层（3）覆于光纤纤芯（2）外面；
步骤三，根据实际适用情形确定所需激励层的数量、长度和形状，根据激励层的数量、长度和形状将包层（3）用硫酸腐蚀掉，形成多段裸露的光纤纤芯表面；
步骤四，对每一段裸露的光纤纤芯2表面蒸镀金属薄膜作为激励层（4）；
步骤五在激励层（4）上面蒸镀光学薄膜材料作为调制层（6）,激励层（4）和调制层（6）构成传感层，以实现对共振效果的调节；
步骤六然后再每个传感层的尾端的光纤纤芯中写入光纤光栅（5），多个传感层串联形成等离子体共振传感器，其光纤光栅（5）反射波长与其前面传感层的共振波长相同。
5.根据权利要求4所述的准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器的制备方法，其特征在于，所述在光纤表面的激励层可以采用金、银、铝或铜；根据不同环境要求，采用不同的金属。
6.根据权利要求4所述的准分布式光纤光栅表面等离子体共振传感器的制备方法，其特征在于，所述作为调制层蒸镀的光学薄膜材料依照实际检测环境和待测介质选择MgF2,SiO,SiO2,TiO2,Ta2O5,ZrO2或ZnS；光学薄膜材料应该具有膜层牢固、温度稳定性良好、化学性能稳定,能耐强酸和强碱的优点。
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| CN (1) | CN103335985B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105259141A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-01-20 | 山东大学 | 一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器及其应用 |
| CN108593119A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-09-28 | 南京大学 | 一种连续分布式微结构光纤生化传感器和信号处理方法 |
| CN110065527A (zh) * | 2019-03-21 | 2019-07-30 | 北京交通大学 | 一种基于光纤光栅的铁路信号闭塞辅助系统 |
| CN110186590A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-08-30 | 河南师范大学 | 一种由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1439871A (zh) * | 2003-03-28 | 2003-09-03 | 东南大学 | 纵向分布式表面等离子体波传感器 |
| CN1598538A (zh) * | 2004-07-28 | 2005-03-23 | 南京航空航天大学 | 检测单核苷酸多态性的光纤表面等离子体波核酸传感器系统及检测方法 |
| JP2006214881A (ja) * | 2005-02-03 | 2006-08-17 | Moritex Corp | 光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置 |
| WO2006122402A1 (en) * | 2005-05-17 | 2006-11-23 | Corporation De L'ecole Polytechnique De Montreal | Plasmon-polariton refractive-index fiber bio-sensor with fiber bragg grating |
| WO2008049187A1 (en) * | 2006-10-25 | 2008-05-02 | Lxsix Photonics, Inc. | Tilted grating sensor |
| CN102507503A (zh) * | 2011-10-24 | 2012-06-20 | 天津大学 | 具有温度自补偿的光纤表面等离子共振葡萄糖传感器 |
| CN102809388A (zh) * | 2012-08-20 | 2012-12-05 | 重庆绿色智能技术研究院 | 光纤探针传感器 |
-
2013
- 2013-07-10 CN CN201310289063.9A patent/CN103335985B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1439871A (zh) * | 2003-03-28 | 2003-09-03 | 东南大学 | 纵向分布式表面等离子体波传感器 |
| CN1598538A (zh) * | 2004-07-28 | 2005-03-23 | 南京航空航天大学 | 检测单核苷酸多态性的光纤表面等离子体波核酸传感器系统及检测方法 |
| JP2006214881A (ja) * | 2005-02-03 | 2006-08-17 | Moritex Corp | 光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置 |
| WO2006122402A1 (en) * | 2005-05-17 | 2006-11-23 | Corporation De L'ecole Polytechnique De Montreal | Plasmon-polariton refractive-index fiber bio-sensor with fiber bragg grating |
| WO2008049187A1 (en) * | 2006-10-25 | 2008-05-02 | Lxsix Photonics, Inc. | Tilted grating sensor |
| CN102507503A (zh) * | 2011-10-24 | 2012-06-20 | 天津大学 | 具有温度自补偿的光纤表面等离子共振葡萄糖传感器 |
| CN102809388A (zh) * | 2012-08-20 | 2012-12-05 | 重庆绿色智能技术研究院 | 光纤探针传感器 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| LI-YANG SHAO ET AL: "Intrinsic temperature sensitivity of tilted fiber Bragg grating based surface plasmon resonance sensors", 《OPTICS EXPRESS》, vol. 18, no. 11, 24 May 2010 (2010-05-24), pages 11464 - 11471 * |
| P.T.ARASU ET AL: "Fiber Bragg grating based surface plasmon resonance sensor utilizing FDTD for alcohol detection applications", 《3RD INTERNATIONAL CONFERENCE ON PHOTONICS 2012》, 31 October 2012 (2012-10-31), pages 93 - 97 * |
| 帅彬彬: "基于光栅的表面等离子体共振传感器的原理及进展", 《激光与光电子学进展》, no. 10, 31 December 2011 (2011-12-31), pages 1 - 11 * |
| 曹振新等: "光纤表面等离子体波传感器中膜厚与共振波长关系的实验研究", 《光学学报》, vol. 23, no. 1, 31 January 2003 (2003-01-31), pages 125 - 128 * |
| 曾捷等: "准分布式光纤表面等离子体波传感器", 《中国激光》, vol. 34, no. 2, 28 February 2007 (2007-02-28), pages 243 - 248 * |
| 胡德波: "倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》, 15 April 2012 (2012-04-15), pages 15 - 38 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105259141A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-01-20 | 山东大学 | 一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器及其应用 |
| CN105259141B (zh) * | 2015-10-30 | 2018-08-03 | 山东大学苏州研究院 | 一种基于多孔铝膜结构的表面等离子共振高折射率传感器及其应用 |
| CN108593119A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-09-28 | 南京大学 | 一种连续分布式微结构光纤生化传感器和信号处理方法 |
| CN108593119B (zh) * | 2018-04-11 | 2020-10-30 | 南京大学 | 一种连续分布式微结构光纤生化传感器和信号处理方法 |
| CN110065527A (zh) * | 2019-03-21 | 2019-07-30 | 北京交通大学 | 一种基于光纤光栅的铁路信号闭塞辅助系统 |
| CN110186590A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-08-30 | 河南师范大学 | 一种由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103335985B (zh) | 2016-01-13 |
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