CN103868457B - 基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置。其特征包括一个宽带光源，一个偏振器，两根单模传输光纤，一根单模传感光纤，多个位移探针，多个敏感区，一个光谱仪；所述敏感区是腐蚀传感光纤形成的多个区域；位移探针是端面切平、镀不同厚度金膜的单模光纤；空气腔是位移探针与敏感区之间空气带隙。光经传感光纤在敏感区产生倏逝场，在位移探针的金膜表面产生等离子谐振效应，空气腔的长度决定谐振波长的吸收峰强度；不同厚度的金膜的产生谐振波长不同，通过波长解调可实现多位移测量。本发明提出一种结构简单、体积小、灵敏度高、可复用的基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置。

Description

基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置。

背景技术

微位移测量技术，广泛应用于精密机械制造，高精度自动控制系统，地质应变监测，航空航天工程领域等，是监测特征点实时动态形位变化，将测量信号反馈至控制中心的一种重要技术。随着当前微纳加工技术的高速发展，微位移测量技术的测量分辨率要求，已经从微米级提高到纳米级。目前主要的微位移测量技术包括电荷耦合测量技术，电容式测量技术，激光干涉测量技术以及光纤光栅测量技术等。

表面等离子共振简称SPR(Surface Plasmon Resonance)，是上世纪60年代发现的一种物理现象，是指当光源发出的P型偏振复色光经过薄膜金属与介质的交界面时，若满足入射角大于全反射临界角，由于表面倏逝波场与金属复折射率的存在，使得符合特征波长的光部分被吸收，其余波长的光被反射的现象。利用这一物理现象，已经研究出许多传感装置，并且在诸多领域比如生化检测，DNA分子检测，药物分析等得到广泛应用。

光纤传感技术，是在抗电磁干扰，远距离通信与传感以及分布式测量中广泛应用的传感技术。光在光纤中传输是以全内反射(Total Internal Reflection，TIR)原理为基础，在纤芯与包层界面，入射光会发生全反射并在界面处产生倏逝波场，将光纤内部的全反射现象与表面等离子共振技术结合，可以用来测量许多物理、化学、生物变化量，特别地，通过在光纤纤芯表面镀特殊的金属薄膜，可以测量许多生物化学量的浓度变化，比如核糖核酸分子，嘌呤分子等。

当前基于光纤的微位移测量技术，主要是在光纤上制作不同特性的光纤光栅，由于外界环境的变化，会影响光栅的传输特性从而导致光纤中信号光传输模式的改变，通过相位解调与强度解调的方法，可以获得位移变化的信息，此类传感器体积较大，制作成本较高，计算方法复杂，测量精度不高，并且只能实现单一微位移变化量的测量，本发明提出的基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置，具有结构简单、体积小、灵敏度高、可复用的优点。

发明内容

为了克服现有技术中微位移传感装置体积较大，制作成本较高，计算方法复杂，测量精度不高的问题，本发明提出了一种结构简单、体积小、灵敏度高、可复用的基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置。

本发明为解决技术问题所采取的传感方法：

步骤(1)选择一个输出波长为480nm至560nm的宽带光源，一个工作波长覆盖480nm至560nm的光谱仪，两根单模传输光纤，一个偏振器，一根单模传感光纤，多个位移探针。

步骤(2)宽带光源发出的信号光，经过传输光纤，通过偏振器进行起偏，得到线偏振模式的入射光，进入传感光纤。

步骤(3)传感光纤的制作，是将一根普通的单模光纤在同一实验条件下，在多个区域，进行相同的腐蚀处理，得到多个腐蚀至纤芯的区域，作为产生表面等离子共振的敏感区。由于光纤的全内反射工作原理，线偏振模式的入射光在纤芯与周围空气的界面上会产生一个倏逝波场。入射光的传播常数为

$k_{in}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}n,$

其中ω是入射光的圆频率，c是真空中光的传播速度，n是光纤纤芯的折射率。

步骤(4)位移探针的制作，是在单模光纤经切平处理的端面，镀上厚度为纳米级的金属薄膜。金属内部及表面自由电子会产生自发性群体振荡，在金属表面自由电子的振荡模式是

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{\sqrt{4{\mathrm{\πn}}_e{e}^2/m}}{\sqrt{2}},$

所产生的表面等离子波的传播常数是

$k_{spw}\≈\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵn}}^2}{\mathrm{\ϵ}+n^2}},$

其中ε是金属复折射率的实部。入射光在纤芯表面产生的倏逝波场会与金属薄膜的表面等离子波，在满足传播常数相等的条件下，即

k_m＝k_spw，

产生表面等离子共振现象。由于光纤纤芯与位移探针表面的金属薄膜之间存在着空气腔，会导致谐振波长的强度根据空气腔的长度发生改变，因此实现了光纤与位移探针之间的微位移测量。

步骤(5)在制作位移探针时，通过在单模光纤端面镀不同厚度的金属薄膜，可以得到多个以谐振波长不同的位移探针，从而实现同时对传感光纤多个敏感区微位移变化的测量，并且在频谱上得到不同谐振波长的强度变化，实现多点微位移测量的复用。

本发明为解决技术问题所采取的装置：

其特征在于包括一个宽带光源，两根单模传输光纤，一个偏振器，一根单模传感光纤，多个位移探针，多个敏感区，一个光谱仪；所述宽带光源经传输光纤与偏振器连接；所述传感光纤经传输光纤耦合器与传输光纤连接；所述敏感区是在传感光纤的多个区域上通过腐蚀处理，去除光纤包层，将纤芯裸露在外制作；所述位移探针是在多个经端面切平处理的单模光纤端面分别镀上均匀且厚度不同的金属薄膜制作；所述空气腔是指位移探针与传感光纤敏感区之间几十纳米宽的空气带隙。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用宽带光源发出一定带宽的信号光，进入传感区域，将通信技术上的波分复用解调技术运用到光纤传感领域，实现了多点的分布式测量。

2、本发明利用表面等离子共振技术测量空间微位移的变化，通过改变光纤敏感区与光纤位移探针之间空气腔的长度，可以实现两者之间微位移变化的测量，并用位移-光强曲线进行描述。利用敏感区、空气腔与探针端面金属薄膜间的表面等离子共振效应，可以实现高灵敏度的微位移传感。

3、本发明使用的位移探针是在单模光纤端面镀纳米金膜制作，通过改变镀膜材料的种类，比如银、钯等，可以实现微米级或其它长度范围内的位移测量。

4、本发明是在同一传感光纤上利用同一腐蚀技术制作多个纤芯裸露的区域作为敏感区，操作简易，将该传感光纤置于待测区域，可以测量待测区域特征点的微位移或表面形貌变化。

5、本发明利用光谱仪，可以实现多个待测点处对应不同波长的光强变化，实现基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感。

附图说明

图1为本发明的基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置结构示意图。

图2为本发明的微位移传感器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步描述。

如图1所示，基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置包括，宽带光源101，传输光纤102，偏振器103，传感光纤104，敏感区105、106、107，位移探针108、109、110，传输光纤耦合器111，传输光纤112，光谱仪113。将宽带光源101的输出端与传输光纤102相连，将传输光纤102通过偏振器10B与传感光纤104相连，在传感光纤104上利用氢氟酸腐蚀技术加工出多个同等宽度的敏感区105、106、107，将传感光纤104通过传输光纤耦合器111与传输光纤112相连，将传输光纤112与光谱仪113相连。

如图2所示，微位移传感器包括，单模光纤201，纤芯区域202，位移探针203，金属薄膜204，空气腔205。

本发明的工作方式为：宽带光源101发出的信号光，进入传输光纤102，通过偏振器103起偏，以线偏振的振动形式进入传感光纤104并沿纤芯传播，在传感光纤104的敏感区105、106、107上分别产生倏逝波场，在位移探针203的金属薄膜204表面与纤芯区域202之间产生表面等离子共振，谐振波长的吸收峰强度，由金属薄膜204表面与纤芯间空气腔205的长度决定，由于位移探针108、109、110的金膜厚度不一样，使得受倏逝波场激发的表面等离子共振谐振波长不同，可以通过光谱仪113检测多个波长即多个通道的光强变化；传感光纤104通过传输光纤耦合器111与传输光纤112连接，传输光纤112与光谱仪113连接。

本发明使用的位移探针，是将单模光纤的端面切平，要求表面光滑平整。位移探针的金属薄膜制备可以使用多种镀膜方法，本实施例中使用真空镀膜技术中的磁控离子溅射法在长度为30mm的单模光纤端面分别镀上厚度为35nm，45nm，50nm的金膜。

本发明可以使用多种光学分析仪器比如单色仪、光谱仪等进行信号解调，通过在多个待测点检测该点谐振波长光强的变化，可以实现空间多点的微位移测量。

敏感区的工作原理为：入射光在光纤中传播时，是利用衰减全内反射的原理，即在纤芯与包层界面存在着倏逝波，将光纤的多个区域的包层去除制作成多个敏感区，可以利用纤芯表面存在的倏逝波场，激发通过空气腔与纤芯耦合的金属薄膜表面的等离子共振现象。

位移探针的工作原理为：在待测点的光纤纤芯，空气腔与位移探针表面的金属薄膜之间，由于倏逝波场与金属薄膜复折射率的存在，会在空气腔与金膜界面间产生表面等离子共振现象，通过改变该点纤芯与位移探针表面金属薄膜间空气腔的宽度，可以使得该点谐振波长吸收峰强度的变化，从而实现该点微位移的传感；通过在单模光纤表面镀不同厚度的金属薄膜，可以得到多个具有不同谐振波长的位移探针，从而实现同一光纤上多个待征点的微位移传感。

该装置能够实现基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感的关键技术为：对同一根光纤的多个特征区域进行相同条件的腐蚀处理，得到多个腐蚀到纤芯的区域，要求去除光纤敏感区的包层，仅余纤芯，用作激发表面等离子共振的敏感区；对信号光进行严格偏振处理，保证宽带信号光以P型偏振的形式进入传感光纤，通过纤芯、空气带隙与纳米金属薄膜产生表面等离子共振效应；对传感光纤敏感区的多个位移探针，需严格控制端面金属薄膜的厚度，使得各位移探针具备不同谐振波长。

在本发明的一个具体实施例中，宽带光源101的带宽为480-560nm；传输光纤102为G.652单模光纤；传感光纤104为G.652单模光纤；敏感区105、106、107分别是对传感光纤104上待测区域进行腐蚀至处理纤芯制作；位移探针108、109、110是将三段长度为30mm的单模光纤的光滑端面分别镀上厚度为35nm，45nm，55nm的金膜制作。宽带光源发出的480-560nm带宽的入射光，经偏振器103起偏后，在传感光纤104中传播时，对应不同金膜厚度的位移探针108、109、110，在传感光纤104的敏感区105、106、107纤芯处产生表面等离子共振的谐振波长分别为522nm，512nm，518nm，通过改变位移探针108、109、110与敏感区105、106、107之间空气腔的长度，分别得到各个待测点谐振波长处关于微位移变化的位移-光强变化曲线。以金膜厚度35nm，谐振波长为522nm的微位移传感器为例，当空气腔的长度即微位移分别为500nm，750nm，1000nm时，得到的吸收峰的相对光强分别为5％，30％，85％，即以金膜材料制作位移探针，可以实现纳米级的微位移传感。另外对于位移探针109、110，同样得到微位移分别为500nm、750nm和1000nm时的光强。实验数据结果如下表所示。

以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤(1)选择一个输出波长为480nm至560nm的宽带光源，一个工作波长覆盖480nm至560nm的光谱仪，两根单模传输光纤，一个偏振器，一根单模传感光纤，多个位移探针；

步骤(2)宽带光源发出的信号光，经过传输光纤，通过偏振器进行起偏，得到线偏振模式的入射光，进入传感光纤；

步骤(3)传感光纤的制作，是将一根普通的单模光纤在同一实验条件下，在多个区域，进行相同的腐蚀处理，得到多个腐蚀至纤芯的区域，作为产生表面等离子共振的敏感区；由于光纤的全内反射工作原理，线偏振模式的入射光在纤芯与周围空气的界面上会产生一个倏逝波场；入射光的传播常数为

$k_{in}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}n,$

其中ω是入射光的圆频率，c是真空中光的传播速度，n是光纤纤芯的折射率；

步骤(4)位移探针的制作，是在单模光纤经切平处理的端面，镀上厚度为纳米级的金属薄膜；金属内部及表面自由电子会产生自发性群体振荡，在金属表面自由电子的振荡模式是

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{\sqrt{4{\mathrm{\πn}}_e{e}^2/m}}{\sqrt{2}},$

所产生的表面等离子波的传播常数是

$k_{spw}\≈\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵn}}^2}{\mathrm{\ϵ}+n^2}},$

其中ε是金属复折射率的实部；入射光在纤芯表面产生的倏逝波场会与金属薄膜的表面等离子波，在满足传播常数相等的条件下，即

k_in＝k_spw，

产生表面等离子共振现象；由于光纤纤芯与位移探针表面的金属薄膜之间存在着空气腔，会导致谐振波长的强度根据空气腔的长度发生改变，因此实现了光纤与位移探针之间的微位移测量；

步骤(5)在制作位移探针时，通过在单模光纤端面镀不同厚度的金属薄膜，可以得到多个以谐振波长不同的位移探针，从而实现同时对传感光纤多个敏感区微位移变化的测量，并且在频谱上得到不同谐振波长的强度变化，实现多点微位移测量的复用。

2.一种实现权利要求1所述的基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法的装置，其特征在于包括一个宽带光源，两根单模传输光纤，一个偏振器，一根单模传感光纤，多个位移探针，多个敏感区，一个光谱仪；所述宽带光源经传输光纤与偏振器连接；所述传感光纤经传输光纤耦合器与传输光纤连接；所述敏感区是在传感光纤的多个区域上通过腐蚀处理，去除光纤包层，将纤芯裸露在外制作；所述位移探针是在多个经端面切平处理的单模光纤端面分别镀上均匀且厚度不同的金属薄膜制作；所述空气腔是指位移探针与传感光纤敏感区之间几十纳米宽的空气带隙。