CN107894292A - 基于光纤表面等离子体共振的折射率温度双参数测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤SPR原理的折射率温度双参数测量方法及装置，由宽带光源，上侧镀金膜的多模光纤‑细芯光纤‑多模光纤(MMF‑TCF‑MMF)结构和光谱仪构成。上侧镀金膜的MMF‑TCF‑MMF结构为传感区；由于TCF与MMF芯径失配，信号光进入TCF时会激发出包层模，部分高阶模将到达TCF与金膜的交界处，产生SPR效应；同时，激发出的低阶包层模，在TCF包层传输，重新进入MMF后与芯模发生干涉，形成多模的MZ干涉仪；通过标定SPR谱的能量变化和MZ干涉谷的位置，在这个小巧而紧凑的结构里,可同时得到待测折射率和环境温度，实现双参数测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于表面等离子体共振原理的可同时测量折射 率和温度双参数的光纤测量方法及装置。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)原理是指当合适光频的光源 发出的P型偏振光从光密媒质入射，经过介质与金属薄膜的交界面时，若满足入射角大于全 反射的临界角，在表面上形成了电子浓度的梯度分布，可激发表面等离子体共振，形成表面 等离子体波，满足谐振波长的光将部分被吸收，其余波长的光将被反射的入射光能量转移现 象。20世纪60年代末70年代初，德国物理学家Otto和Kretschmann各自采用 (Attenuated Total Reflection，简称ATR)的方法在实验中实现了光频波段的表面等离子体的 激发。
由于基于SPR效应的传感器具有不受电磁干扰、灵敏度高的特点，从上世纪80年代至 今，世界上已有许多学者在Kretschmann模型的基础上对表面等离子体共振传感器的设计、 生产和应用作了大量研究，进一步提出了各种改进的理论和方法。然而，现有的SPR传感器 通常是用来测量折射率的，而外界温度的改变会引起折射率的变化，因此，要给定折射率的 测量值需要给出相应的温度。但是现有的大部分SPR传感器只能测量折射率参数，不能同时 测量温度参数，忽略了温度的影响，不能够给出完整的折射率信息，因此，当外界温度变化 时会导致SPR传感器给出的折射率测量值出现偏差，从而无法给出准确的折射率测量结果。
针对上述现有的基于表面等离子体共振(SPR)传感器无法对温度和折射率进行同时测量 的问题，本发明提出了一种基于光纤表面等离子体共振原理的折射率温度双参数测量方法和 装置，这种方法简单，其传感装置仅包含一个单一结构，然而在这个单一结构中却同时包含 了迈克曾德干涉效应(MZ干涉)和SPR效应。利用SPR效应对外界折射率敏感的特性来测量 折射率，利用这里的MZ干涉效应仅对温度敏感的特性来标定温度，实现了对折射率和温度 的同时测量。一方面，在折射率的测量中考虑了温度的影响，提升了折射率测量结果的完整 性和准确性；另一方面，温度监控是化工、生物等领域的一项重要因素，对温度参数进行测 量，增加了SPR传感器的实用价值。此外，该传感器具有结构简单，成本低，灵敏度高的优 点。
发明内容
为了克服现有的基于表面等离子体共振(SPR)传感器无法对温度和折射率进行同时测量 的问题，本发明提出了一种结构简单，成本低，具有很强实用价值的基于表面等离子体共振 原理的折射率温度双参数测量方法及装置。
基于光纤表面等离子体共振原理的折射率温度双参数测量方法，其特征在于该方法包括 如下步骤：
步骤⑴选择一个输出波长为300nm至1000nm的宽带光源，一个工作波长覆盖300nm至 1000nm的光谱仪，一根一定长度的细芯光纤(长度在1.2cm到1.8cm之间)，多模光纤。
步骤⑵在细芯光纤(TCF)的两侧分别熔接一段多模光纤(MMF)，制备出MMF-TCF-MMF结构，形成一个MZ干涉仪。入射光在第一段MMF中以芯模的形式传播，光能量主要 集中在芯层，到达MMF与TCF的第一交界面时，由于细芯光纤的芯径明显小于多模光纤， 芯径失配，当信号光进入细芯光纤时，一部分光会被激发为包层模在包层中传输，其中的低 阶包层模到达细芯光纤与后一段多模光纤的交界面时，一部分会重新耦合到芯层，并与芯层 的芯模光发生干涉，形成多模的MZ干涉效应。当发生干涉的两个模式满足相位关系
时，透射光谱出现MZ干涉谷。其中，是光纤芯层的有效折射率，是第j阶包层模式的有效折射率，L是MMF-TCF-MMF结构中TCF段的长度，λD是是第K级MZ干 涉谷的中心波长。波长λD对于温度变化的响应可由上式微分得到
其中，是芯层与包层模式之间的有效折射率差。波长漂移方向由决定。
步骤⑶利用磁控离子溅射的方法在MMF-TCF-MMF结构的上侧镀一层30-50nm的金膜。当入射光沿着多模光纤传播到细芯光纤中时，由于芯径失配，集中在纤芯的光能量会大量进入包层，且光纤波导内的电磁场分布由麦克斯韦方程组决定，其中部分高阶包层模式光 将到达细芯光纤与金膜的交界处，发生衰减全反射(ATR)。进入金膜的倏逝波波矢为
金膜表面等离子体波矢为
其中，c为真空中的光速，ω为入射光频率，ε0(λ)、ε1(λ)、ε2(λ)分别为纤芯、金属膜、 外界介质的介电常数。当倏逝波波矢和表面等离子体波矢相匹配，即
Kx＝Ksp
时，产生表面等离子体共振(SPR)现象，且SPR效应的共振波长及其造成的能量衰减随外 界介质折射率的改变而发生变化。
步骤⑷连接光路，搭建传感系统。宽带光源发出的光经多模光纤传输进入镀有金膜的 MMF-TCF-MMF结构，由该结构另一端出射的光再经多模光纤传输进入光谱仪；
镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构作为系统的SPR传感区；由于细芯光纤的芯径远小于普通多模光纤，当入射光由前一段多模光纤进入TCF时会激发出包层模式光，其中部分高阶包层模式光将到达细芯光纤与金膜的交界处，产生强的倏逝场和SPR效应，当传感区附近的折射率微小增加时，SPR谱的深度加深，并向长波方向呈现广度扩展(即SPR共振波长向长波移动)；同时，当入射光由前一段多模光纤进入TCF时激发出的低阶包层模式光，在细芯光纤的包层传输，不产生倏逝场和SPR效应，当它们再进入后一段多模光纤时，被激发的低阶包层模会和芯模发生干涉，形成多模的MZ干涉；由于低阶包层模与芯模发生的干涉不受外界折射率影响，只对温度敏感，当传感区附近的温度发生变化时，MZ干涉谱的干涉谷位置发生明显的变化，由此实现对环境温度的标定；通过标定SPR谱损耗能量的变化和MZ干涉谱的干涉谷波长，可以同时得到被测折射率的变化和环境温度，实现双参数测量。
本发明为解决技术问题所采取的装置：
包括一个宽带光源、一个上侧镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构和一个光谱仪。
宽带光源的输出端与一段多模光纤相连，多模光纤的另一端与镀有金膜的MMF-TCF- MMF结构相熔接，该结构的另一端与第二段多模光纤相熔接，多模光纤的另一端与光谱仪相 连；多模光纤作传输光纤；上侧镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构为装置传感区，由一段多 模光纤、一段细芯光纤和另一段多模光纤依次熔接，并在其上侧镀有一层金膜构成；其中细 芯光纤长度在1.2cm到1.8cm之间，金膜是利用磁控离子溅射技术在MMF-TCF-MMF结构的上表面溅射获得，金膜的厚度在30nm到50nm之间，表面粗糙度的均方差小于等于5nm； 光谱仪作为信号解调系统。
本发明的有益效果为：
本发明利用镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构作为系统的传感区结构，信号光经过传感 区时发生SPR效应和MZ干涉，通过SPR光谱的损耗加深和展宽程度得到折射率参数，通过MZ干涉谱的干涉谷波长变化标定温度的变化，可以实现基于SPR效应的折射率温度双参数测量传感器，具有灵敏度高，结构简单，实用价值高的优点。
附图说明
图1为基于光纤表面等离子体共振的折射率温度双参数测量装置的结构示意图。图2为 一个具体实例实验图。
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，基于光纤表面等离子体共振的折射率温度双参数测量装置，包括：宽带光 源1、镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构2、光谱仪3；
本发明的工作方式为：宽带光源1产生信号光，由多模光纤传输进入镀有金膜的MMF- TCF-MMF结构2，2输出的光信号通过多模光纤传输到光谱仪3。镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构2是由一段多模光纤4、一段细芯光纤5和另一段多模光纤6依次熔接，并在其上 侧磁控溅射镀有一层厚度为30nm到50nm之间的金膜7构成。镀有金膜的MMF-TCF-MMF 结构2被固定在载玻片上，放置于培养皿中，作为系统的SPR传感区。当光信号光由前一段 多模光纤4进入细芯光纤5时，一部分光会被激发为包层模，其中的部分高阶包层模到达细 芯光纤5和金膜7的交界面，当满足模式匹配条件时，在细芯光纤和金膜7的交界面处会发 生表面等离子体共振效应，输出光谱中出现明显的SPR共振峰和能量衰减。随着外界折射率 的增大，输出光谱中的SPR峰会发生红移，使得整个光谱在长波部分的能量损耗加深，如图 2所示。同时，当信号光由前一段多模光纤4进入细芯光纤5时，被激发的包层模中低阶包 层模不会到达到细芯光纤5和金膜7的交界面，不产生SPR效应。低阶包层模在细芯光纤5 的包层中传输，达细芯光纤5与后一段多模光纤6的交界面时，一部分会重新耦合到芯层， 并与芯层的基模光发生干涉，形成多模的MZ干涉效应，在光谱图上产生梳状的MZ干涉谱。 MZ干涉谱只受温度的影响，不会受到折射率变化的影响。选取MZ干涉谱中短波部分的干 涉谷作为监测波长，将不会受到SPR共振峰的影响，因此MZ干涉在短波部分的干涉谷位置 只与温度变化相关，如图2所示。在本发明中，表面等离子体共振谱的深度加深和向长波方 向的广度扩展由外界折射率变化引起，MZ干涉谱在短波部分的干涉谷波长只由温度变化决 定；通过SPR能量衰减的变化情况可以得到折射率的变化，通过MZ干涉的干涉谷波长可以 标定温度。因此，在本发明所提出的小巧而紧凑的结构里，利用SPR效应检测折射率，利用 MZ干涉谱的干涉谷位置检测温度，从而实现对折射率和温度的同时测量。
该装置能够实现基于光纤表面等离子体共振的折射率温度双参数测量传感器的关键技术 有：
⑴由于细芯光纤的纤芯直径远小于普通多模光纤，当信号光由前一段多模光纤进入细芯 光纤时，部分光能量会泄漏到包层，同时激发出高阶和低阶包层膜，其中的高阶包层膜到达 细芯光纤和金膜的交界面，为有效地发生SPR效应提供条件。
⑵信号光在多模光纤中传播时，光能量集中在芯层。当入射光到达多模光纤与细芯光纤 的第一交界面处，被激发的包层模式中，低阶包层模到达细芯光纤与多模光纤的第二交界面 时，一部分会重新耦合到芯层，并与芯模光发生MZ干涉。由于MZ干涉只对温度变化敏感， 不受SPR效应或折射率变化的影响，因此MZ干涉的干涉谷波长只与温度变化相关，可以用 来标定温度。
⑶一方面，利用磁控离子溅射技术在光纤上侧溅射金膜层，而不使用旋转器来覆盖光纤 的整个表面，可以降低制造难度，从而节约成本；另一方面，细芯光纤表面所镀金膜的厚度 会影响SPR共振峰的尖锐程度和消光比，进而影响系统的传感性能，因此金膜的厚度严格控 制在30nm～50nm之间。
这种SPR传感系统既达到了同时对折射率和温度两个参数进行测量的目的，又保障了测 量方法的准确性和灵敏度，还降低了成本，具有很高的实用价值。
本发明的一个具体实例中：一台谱宽从300nm到1000nm的卤素灯光源；一台JA2000系 列的微型光纤光谱仪；细芯光纤的型号为S405-XP，芯层直径为3μm，包层直径为125μm，轴向长度为1.8cm；多模光纤的芯层直径为62.5μm，包层直径为125μm；金膜厚度为40nm； 折射率测量范围为1.34～1.4161；温度测量范围为35℃～75℃。图2为实验所获得的光谱图。实验数据如表1表2所示：
表1不同折射率对应的SPR损耗能量
| 折射率 | 1.34 | 1.3461 | 1.3491 | 1.354 | 1.3597 | 1.3652 | 1.3699 | 1.3758 |
| 能量(dB) | -11.3156 | -11.147 | -10.9023 | -10.7521 | -10.5202 | -10.3044 | -10.2246 | -9.98341 |
| 折射率 | 1.3797 | 1.3864 | 1.391 | 1.3968 | 1.4012 | 1.406 | 1.4116 | 1.4161 |
| 能量(dB) | -9.9383 | -9.82002 | -9.74848 | -9.76369 | -9.69668 | -9.63953 | -9.52542 | -9.59622 |
表2不同温度对应的MZ干涉谷波长
| 温度 | 35 | 45 | 55 | 65 | 75 |
| 波长(nm) | 572.55 | 571.82 | 571.45 | 571.08 | 570.71 |
以上所述及图中所示的仅是本发明的实施方式。本领域的技术人员在不脱离本发明原理 的前提下，还可以作出变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.基于光纤表面等离子体共振的折射率温度双参数测量方法及装置，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤⑴选择一个输出波长为300nm至1000nm的宽带光源，一个工作波长覆盖300nm至1000nm的光谱仪，一根一定长度的细芯光纤，其长度在1.2cm到1.8cm之间，多模光纤；
步骤⑵在细芯光纤(TCF)的两侧分别熔接一段多模光纤(MMF)，制备出MMF-TCF-MMF结构，形成一个迈克曾德干涉仪(MZ干涉仪)；入射光在第一段MMF中以芯模的形式传播，光能量主要集中在芯层，到达MMF与TCF的第一交界面时，由于细芯光纤的芯径明显小于多模光纤，造成芯径失配，当信号光进入细芯光纤时，一部分光会被激发为包层模在包层中传输，其中的低阶包层模到达细芯光纤与后一段多模光纤的交界面时，一部分会重新耦合到芯层，并与芯层的芯模光发生干涉，形成多模的MZ干涉效应；当发生干涉的两个模式满足相位关系
时，透射光谱出现MZ干涉谷；其中，是光纤芯层的有效折射率，是第j阶包层模式的有效折射率，L是MMF-TCF-MMF结构中TCF段的长度，λD是是第K级MZ干涉谷的中心波长；波长λD对于温度变化的响应可由上式微分得到
其中，是芯层与包层模式之间的有效折射率差；波长漂移方向由决定；
步骤⑶利用磁控离子溅射的方法在MMF-TCF-MMF结构的上侧镀一层30-50nm的金膜；当入射光沿着多模光纤传播到细芯光纤中时，由于芯径失配，集中在纤芯的光能量会大量进入包层，且光纤波导内的电磁场分布由麦克斯韦方程组决定，其中部分高阶包层模式光将到达细芯光纤与金膜的交界处，发生衰减全反射(ATR)；进入金膜的倏逝波波矢为
金膜表面等离子体波矢为
其中，c为真空中的光速，ω为入射光频率，ε0(λ)、ε1(λ)、ε2(λ)分别为纤芯、金属膜、外界介质的介电常数；当倏逝波波矢和表面等离子体波矢相匹配，即
Kx＝Ksp
时，产生表面等离子体共振(SPR)现象，且SPR效应的共振波长及其造成的能量衰减随外界介质折射率的改变而发生变化；
步骤⑷连接光路，搭建传感系统；宽带光源发出的光经多模光纤传输进入镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构，由该结构另一端出射的光再经多模光纤传输进入光谱仪；
镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构作为系统的SPR传感区；由于细芯光纤的芯径远小于普通多模光纤，当入射光由前一段多模光纤进入TCF时会激发出包层模式光，其中部分高阶包层模式光将到达细芯光纤与金膜的交界处，产生强的倏逝场和SPR效应，当传感区附近的折射率微小增加时，SPR谱的深度加深，并向长波方向呈现广度扩展(即SPR共振波长向长波移动)；同时，当入射光由前一段多模光纤进入TCF时激发出的低阶包层模式光，在细芯光纤的包层传输，不产生倏逝场和SPR效应，当它们再进入后一段多模光纤时，被激发的低阶包层模会和芯模发生干涉，形成多模的MZ干涉；由于低阶包层模与芯模发生的干涉不受外界折射率影响，只对温度敏感，当传感区附近的温度发生变化时，MZ干涉谱的干涉谷位置发生明显的变化，由此实现对环境温度的标定；通过标定SPR谱损耗能量的变化和MZ干涉谱的干涉谷波长，可以同时得到被测折射率的变化和环境温度，实现双参数测量；
2.实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于包括一个宽带光源、一个上侧镀有金膜的MMF - TCF - MMF结构和一个光谱仪；宽带光源的输出端与一段多模光纤相连，多模光纤的另一端与镀有金膜的MMF - TCF - MMF结构相熔接，该结构的另一端与第二段多模光纤相熔接，多模光纤的另一端与光谱仪相连；多模光纤作传输光纤；上侧镀有金膜的MMF -TCF - MMF结构为装置传感区，其中细芯光纤长度在1.2cm到1.8cm之间，该结构是利用磁控离子溅射技术在MMF - TCF - MMF结构的上侧表面溅射了一层金膜，金膜的厚度在30nm到50nm之间，表面粗糙度的均方差小于等于5nm；光谱仪作为信号解调系统。
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