CN109974925B - 一种基于损失模式共振的微结构光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于损失模式共振的微结构光纤传感器，具体包括：微结构光纤，所述微结构光纤包括传感区域，该传感区域从内至外依次涂覆TiO2薄膜、HfO2薄膜和橡胶，所述微结构光纤外表面两侧呈不同大小的半圆结构，所述微结构光纤结构的圆心处设置有多个空气孔。所述空气孔包括六个大小相同的大空气孔和一个小空气孔，所述大空气孔的横截面面积大于小空气孔的横截面面积。该传感器借助于半圆形光子光纤减少损耗，利用双层膜结构以及外部的橡胶，灵敏的将外界的压力变化情况转化为橡胶体积的改变进一步的改变介质的折射率再借助波的移动情况展现出来，从而达到精准测量外界气压的目的。
Description
技术领域
本发明涉及微结构光纤技术领域，尤其涉及一种基于损失模式共振的微结构光纤传感器。
背景技术
20世纪80年代，光纤作为一种优良的低损耗传输线开始进入人们的视线，而基于光纤作为波导的传感器也变得如火如荼。光纤传感器具有传统传感器所不可比的优点：具有抗磁干扰、电绝缘、防爆性能好、耐腐蚀、导光性能好、多参数测量、体积小、可嵌入等有点，容易组成传感网络，并接入因特网和无线网。近年来，提出了一系列表面等离子体共振(SPR)压力光纤传感器，金属与介电界面之间的光相互作用将产生等离子体振荡。采用光纤SPR传感器进行压力检测，最大灵敏度达到1.75×103nm/MPa。相比基于萨尼亚克干涉仪传感器和光纤光栅传感器,很明显,SPR压力传感器都极大地提高了传感器的灵敏度。然而，最近的研究表明，基于损失模式共振(LMR)的光纤传感器比SPR传感器有许多优点。有许多类型的金属氧化物和聚合物可用于在光纤上产生LMR效应，如TiO2、ITO、PAH、PAA。此外，LMR光纤传感器可以以多种方式制造与传统光纤结构相比，基于光子晶体光纤的微结构光纤在设计和制造方面具有许多优势。通过改变磁芯导模的几何结构，调整磁芯导模的neff，满足相位匹配条件。有许多类型的金属氧化物和聚合物可用于在光纤上产生LMR效应，如TiO2、ITO、PAH、PAA。此外，LMR光纤传感器可以以多种方式制造。现有的LMR都是采用芯径较粗的无芯光纤，光纤的机械性能和灵敏度有待于进一步改进。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于损失模式共振的微结构光纤传感器，包括微结构光纤，所述微结构光纤包括传感区域，该传感区域从内至外依次涂覆TiO2薄膜、HfO2薄膜和橡胶，所述微结构光纤外表面两侧呈不同大小的半圆结构，所述微结构光纤的圆心处设置有多个空气孔；
所述空气孔包括六个大小相同的大空气孔和一个小空气孔，所述大空气孔的横截面面积大于小空气孔的横截面面积；其中六个大空气孔以正六边形排布设置，其中小空气孔设置在正六边形的中心处；
所述大空气孔和一小空气孔为圆形，其中大空气孔的直径为1.1nm，小空气孔的直径为0.8nm。
所述TiO2薄膜的厚度为50nm。
所述HfO2薄膜的厚度为40-50nm。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于损失模式共振的微结构光纤传感器，该传感器借助于半圆形光子光纤减少损耗，利用双层膜结构以及外部的橡胶，灵敏的将外界的压力变化情况转化为橡胶体积的改变进一步的改变介质的折射率再借助波的移动情况展现出来，从而达到精准测量外界气压的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明传感器的基于损失模式共振的微结构光纤传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例的示意图。
图3为本发明实施例的示意图。
图中：1、微结构光纤，2、TiO2薄膜，3、HfO2薄膜，4、橡胶，11、小空气孔，12、大空气孔。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1-图3所示的一种基于损失模式共振的微结构光纤传感器，包括微结构光纤1，所述微结构光纤1包括传感区域，该传感区域从内至外依次涂覆TiO2薄膜2、HfO2薄膜3和橡胶4，所述微结构光纤1外表面两侧呈不同大小的半圆结构，所述微结构光纤1的圆心处设置有多个空气孔。
进一步的，空气孔33包括六个大小相同的大空气孔12和一个小空气孔11，所述大空气孔12的横截面面积大于小空气孔11的横截面面积；其中六个大空气孔12以正六边形排布设置，其中小空气孔11设置在正六边形的中心处。
进一步的，所述大空气孔12和一小空气孔11为圆形，其中大空气孔12的直径为1.1nm，小空气孔11的直径为0.8nm。
进一步的，所述TiO2薄膜的厚度为50nm，所述HfO2薄膜的厚度为70nm。
实施例1：
传感器制作过程有许多类型的金属氧化物和聚合物可用于在光纤上产生LMR效应，如TiO2、ITO、PAH、PAA。LMR光纤传感器可以以多种方式制造。层间自组装和化学气相沉积是常用的涂层方法。本文提出的基于LMR的压力传感器是一种采用大芯径、大数值孔径的塑料包层石英光纤，其全宽为半最大值，从而降低了传感器的精度。微结构光纤传感器采用光子学晶体光纤，在其上涂覆二氧化钛/HfO2双层薄膜。我们可以通过微加工技术来制造光纤，制作出光纤外露芯。同时，为了在TiO2/HfO2薄膜上进行包覆，可以采用湿化学沉积技术或化学气相沉积技术将薄膜包覆在裸露的芯部上，激发LMR效应。由于HfO2的高折射率，双金属氧化物双层膜可以显著提高传感器的灵敏度。
进一步的，传感器检测过程如下：
微结构光纤由熔融石英制成。光纤的色散特性由塞尔迈耶方程描述:
我们得知LMR传感器的灵敏度可能受到材料介电常数的影响。HfO2的介电常数具有较高的实部，可以提高传感器的性能。光纤传感器的约束损耗表示为:
αloss(dB/m)＝8.686*k*Im[neff]
对于橡胶聚合物材料，压力与折射率的关系可以写成
传感器波长灵敏度定义为谐振峰随外加压力的位移，记为:
对于所述传感器，我们利用了COMSOL Multiphysics软件进行了仿真。将传感器截面划分为多个三角形，在光沿Z轴方向传播的X-Y平面上进行仿真，采用高斯模式作为核心模式，利用X偏振与Y偏振共振峰检测RI，从仿真结果可以发现，Y轴极化峰飘移速度快于X极化峰，说明y极化具有较高的耦合效率，且y极化峰的灵敏度较高。因此，我们用x极化峰来检测分析物。
为了研究所提出的微结构光纤传感器的性能，我们模拟了从1.33到1.39的不同样品RI范围。这些样品的RI值代表聚合物的RI引起的聚合物密度变化是聚合物密度的函数。在得到的光谱中，共有四个LMR峰。非对称LMR区域产生强双折射、x偏振和y偏振共振峰。当SPI随聚合物压力的变化而变化时，共振波长会发生较大的偏移。我们还模拟了了TiO2/HfO2膜厚比例对传感器性能的影响。在相同总厚度d＝80nm时，根据TiO2/HfO2膜厚比例的不同，我们模拟了三种不同的传感器探头。从仿真结果可以看出，当HfO2的比例从零逐渐增大时，传感器的灵敏度逐渐增大。当HfO2与TiO2的比例达到30/50时，传感器的灵敏度达到最大值。但是，随着HfO2与TiO2的比例不断增加，传感器的灵敏度降低。
我们将提出的传感器与之前报道的基于光纤的压力传感器的灵敏度进行了比较。由于第一个LMR峰被认为是最敏感的，我们仅利用第一个LMR峰来研究传感器的性能。灵敏度分析方面，主要有4个传感器，TiO2/HfO2双层分别为60/20、50/30、40/40nm，单TiO2层分别为80nm。由于压力的变化，所有的传感器都用不同的SRI描述。我们比较了金属氧化物双层膜与单TiO2膜的传感器。该压力传感器具有较强的竞争灵敏度。通过比较，最优传感器是涂有二氧化钛/HfO250/30nm,灵敏度可达5μm/MPa的压力,相比之下,传感器的灵敏度与单一的80纳米二氧化钛薄膜涂层是只有3.8μm/MPa。此外，我们还将所提出的传感器与先前报道的光纤压力传感器进行了比较。结果表明，该传感器在压力检测方面具有一定的优势。
可以看到相比于传统的单层膜结构，双层膜结构使得共振波长位移变大，使得测量精准度大大提高，即波长灵敏度显著提高。由此可以看出，本发明的微结构光纤传感器比一般的传感器的灵敏度和分辨率更高。同时，根据膜厚度的不同，灵敏度也会发生改变，为实际的应用提供了可靠的依据，可以根据生产实际需要来进行调整。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于损失模式共振的微结构光纤传感器，其特征在于包括：微结构光纤(1)，所述微结构光纤(1)包括设置在小半圆一侧的传感区域，该传感区域从内至外依次涂覆TiO2薄膜(2)、HfO2薄膜(3)和橡胶(4)，所述微结构光纤(1)外表面两侧呈不同大小的半圆结构，所述微结构光纤(1)的圆心处设置有多个空气孔；
所述空气孔包括六个大小相同的大空气孔(12)和一个小空气孔(11)，所述大空气孔(12)的横截面面积大于小空气孔(11)的横截面面积；其中六个大空气孔(12)以正六边形排布设置，其中小空气孔(11)设置在正六边形的中心处；
所述大空气孔(12)和一小空气孔(11)为圆形，其中大空气孔(12)的直径为1.1nm，小空气孔(11)的直径为0.8nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于损失模式共振的微结构光纤传感器，其特征还在于：所述TiO2薄膜(2)的厚度为50nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于损失模式共振的微结构光纤传感器，其特征还在于：所述HfO2薄膜(3)的厚度为40-50nm。
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| Publication number | Publication date |
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| CN109974925A (zh) | 2019-07-05 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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