CN110487728A - 利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法，包括宽带光源、偏振控制器、单模传输光纤、金属膜涂覆倾斜光纤光栅及光谱分析仪，所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅由表面涂覆有金属膜的大倾角倾斜光纤光栅构成，所述的大倾角倾斜光纤光栅的光谱由包层模谐振和泄漏模谐振构成，在所述的金属膜的作用下，所述的包层模谐振激发表面等离子体共振，同时所述的泄漏模谐振被极大增强，所激发的低阶泄漏模谐振和表面等离子体共振可用于环境参量的高灵敏传感，其他高阶梳状泄漏模谐振用于梳状滤波及光纤激光器等器件。本发明提供的方法可利用单一光纤器件同时实现高灵敏传感和稳定的梳状滤波或激光器件。

Description

利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等 离子体共振的方法
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体是指一种利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法。
背景技术
倾斜光纤光栅因其独特的梳状光谱而在通信及传感领域具有非常广阔的应用前景。倾斜光纤光栅的模式包括纤芯导模、包层模及泄漏模。其中，纤芯导模限制在纤芯区域内，通过全反射在传输光信号，模式损耗极小(常被忽略不计)；包层模的模场分布于纤芯和包层区域，可在一定距离内传输光信号；泄漏模具有非常高的模式损耗，不能用于传输光信号。倾斜光纤光栅的光栅调制平面与光纤轴向之间存在一个夹角，能够在宽波段内将纤芯导模耦合至反向传播的系列模式，从而在其透射谱中激发数十至数百个非常强的窄带谐振峰，包括纤芯模谐振或布拉格谐振、低阶包层模谐振或Ghost模谐振、强梳状包层模谐振、以及非常微弱的泄漏模谐振。其中，纤芯模谐振和Ghost模谐振对应力应变、弯曲等物理量变化较为敏感，包层模谐振对环境折射率、浓度等物理量变化较为敏感，同时可用于梳状滤波。另一方面，在倾斜光纤光栅表面涂覆金属膜后，可利用梳状包层模谐振在金属表面激发表面等离子体共振。因此，目前在通信及传感领域广泛使用的是倾斜光纤光栅的纤芯模谐振、Ghost模谐振或包层模谐振。然而，倾斜光纤光栅泄漏模谐振因非常微弱而常被忽略，主要原因是目前不能获得有效的泄漏模谐振。
发明内容
为解决现有技术存在的问题和步骤，本发明的目的是提供一种利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法，所激发的低阶泄漏模谐振和表面等离子体共振可用于环境参量(如折射率、浓度等)的高灵敏传感，其他高阶梳状泄漏模谐振对环境变化不灵敏，可用于梳状滤波及光纤激光器等器件。
为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法，包括有：宽带光源、偏振控制器、单模传输光纤、金属膜涂覆倾斜光纤光栅、及光谱分析仪，其中，宽带光源与偏振控制器的一端连接，偏振控制器的另一端经单模传输光纤与金属膜涂覆倾斜光纤光栅的一端连接，金属膜涂覆倾斜光纤光栅的另一端通过单模传输光纤与光谱分析仪连接，所述的宽带光源输出非偏振光，通过所述的偏振控制器后转化为单一偏振方向的p偏振光或者s偏振光，然后经所述的单模传输光纤输入至所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅内，所述的p偏振光或者s偏振光输入至所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅后，在其纤芯内激励起p偏振或者s偏振纤芯导模；在满足相位匹配条件时，所述的p偏振或者s偏振纤芯导模在所述的倾斜光纤光栅内耦合至反向传播的一系列p偏振或者s偏振模式(包括纤芯导模、包层模、以及泄漏模)，从而产生系列p偏振或者s偏振包层模谐振和泄漏模谐振，其中，在所述的金属膜的作用下，所述的p偏振包层模谐振激发表面等离子体共振，同时所述的p偏振或s偏振泄漏模谐振被极大增强，即激发高强度梳状泄漏模谐振；所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅的输出光经所述的单模传输光纤输入至所述的光谱分析仪并显示透射谱；
所述金属膜涂覆倾斜光纤光栅由表面涂覆有所述金属膜的倾斜光纤光栅构成。
其中，所述倾斜光纤光栅刻写在单模石英光纤纤芯内，且光栅倾角介于为10°～45°，光栅轴向周期介于100nm～1000nm之间，光栅长度大于10mm。
其中，所述的金属膜材料为金属材料，厚度介于2nm～70nm之间，通过磁控溅射方法涂覆在所述的倾斜光纤光栅的包层表面。
其中，所述的金属膜材料为为金、银、铜或铝。
其中，所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅的相位匹配条件为：
其中，为纤芯模谐振波长，为第vm个模式且包括包层模和泄漏模的谐振波长，为纤芯模有效折射率，为第vm个模式的有效折射率，Λg为光栅调制平面的周期，θ为光栅倾角。
其中，所述的宽带光源的输出光谱范围覆盖所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅的光谱范围。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明提供的利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法，通过在倾斜光纤光栅的包层表面涂覆金属膜，利用金属膜同时激发系列梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振，所激发的低阶泄漏模谐振和表面等离子体共振可用于环境参量(如折射率、浓度等)的高灵敏传感，其他梳状泄漏模谐振对环境变化不灵敏，可用于梳状滤波及光纤激光器等器件，可利用单一光纤器件同时实现高灵敏传感和稳定的梳状滤波或激光器件。。
(2)本发明基于金属膜涂覆倾斜光纤光栅，通过增大倾斜光纤光栅的倾角、或者在一定范围内增加金属膜厚度，可在宽波段内激发对环境不灵敏的高强度梳状泄漏模谐振，可用于制备具有稳定光谱、适用于多种环境的光纤器件。
(3)本发明提供的利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法，器件制作简单，易于推广应用，有效拓展了传统倾斜光纤光栅的应用领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振原理图；
图2金属膜涂覆倾斜光纤光栅透视图；
图3金属膜涂覆倾斜光纤光栅透射谱，其中，SPR表示surface plasmonresonance，即表面等离子体共振；
图4金属膜涂覆倾斜光纤光栅的环境响应特性，其中，SRI表示surroundingrefractive index，即环境折射率；
图5 40nm金属膜涂覆倾斜光纤光栅透射谱，其中，SPR表示surface plasmonresonance，即表面等离子体共振；
图6倾斜角为26.5°的金属膜涂覆倾斜光纤光栅透射谱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本实施例公开了利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法，如图1所示，包括：宽带光源1、偏振控制器2、单模传输光纤3、金属膜涂覆倾斜光纤光栅4、及光谱分析仪5。其中，宽带光源1与偏振控制器2的一端连接，偏振控制器2的另一端经单模传输光纤2与金属膜涂覆倾斜光纤光栅4的一端连接，金属膜涂覆倾斜光纤光栅4的另一端通过单模传输光纤3与光谱分析仪5连接。
本实施例中，金属膜涂覆倾斜光纤光栅4的透视图如图2所示，其中倾斜光纤光栅6刻写在单模光纤的纤芯区域，其中，θ表示光栅倾角，Λg为光栅调制平面的周期，Λ表示光栅周期，L表示光栅长度，金属膜7通过磁控溅射的方法涂覆在倾斜光纤光栅6光栅区域的包层表面。
本实施例中，利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的工作原理为：所述的宽带光源1输出非偏振光，通过所述的偏振控制器2后转化为单一偏振方向的p偏振光或者s偏振光，然后经所述的单模传输光纤3输入至所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅4内，所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅4由所述的倾斜光纤光栅6以及涂覆在光栅区域包层表面的所述的金属膜7组成；所述的p偏振光或者s偏振光输入至所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅4后，在其纤芯内激励起p偏振或者s偏振纤芯导模；在满足相位匹配条件时，所述的p偏振或者s偏振纤芯导模在所述的倾斜光纤光栅6内耦合至反向传播的一系列p偏振或者s偏振模式(包括纤芯导模、包层模、以及泄漏模)，从而产生系列p偏振或者s偏振包层模谐振和泄漏模谐振，在所述的金属膜的作用下，所述的p偏振包层模谐振激发表面等离子体共振，同时所述的p偏振或s偏振泄漏模谐振被极大增强，即激发高强度梳状泄漏模谐振；所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅4的输出光经所述的单模传输光纤3输入至所述的光谱分析仪5并显示透射谱。
本实施例中，所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅4的相位匹配条件为：
其中，为纤芯模谐振波长，为第vm个模式(包括包层模和泄漏模)的谐振波长，为纤芯模有效折射率，为第vm个模式的有效折射率，Λg为光栅调制平面的周期，θ为光栅倾角。
本实施例中，所述的宽带光源1的输出光谱范围覆盖所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅4的光谱范围。
本实施例中，所述的偏振控制器2用于将所述的宽带光源1输出的非偏振光转化为单一偏振方向的p偏振光或者s偏振光。
本实施例中，所述的倾斜光纤光栅6为刻写在单模石英光纤纤芯内且倾角为24.5°和26.5°的倾斜光栅，光栅轴向周期为560nm，光栅长度为20mm。
本实施例中，所述的金属膜7材料为金，厚度介于2nm～40nm之间，通过磁控溅射方法涂覆在所述的倾斜光纤光栅6的包层表面。
本实施例中，涂覆不同厚度金属膜的倾斜光纤光栅的透射谱如图3所示。对于未涂覆金属膜的倾斜光纤光栅，其s偏振和p偏振透射谱都是由非常强的包层模谐振以及非常微弱的泄漏模谐振构成。当在倾斜光纤光栅表面涂覆金膜以后，泄漏模谐振逐渐被增强，同时包层模谐振逐渐激发表面等离子体共振。金属膜为2nm时，包层模谐振减弱、泄漏模谐振增强，其中s偏振泄漏模谐振比p偏振泄漏模谐振更强。金属膜为5nm时，越来越多的泄漏模谐振被增强、同时p偏振包层模谐振激发了较弱的表面等离子体共振现象，其中s偏振泄漏模谐振明显比p偏振泄漏模谐振更强。金属膜为10nm时，在宽波段范围内激发了非常强的梳状s偏振泄漏模谐振、同时p偏振包层模谐振激发了一定强度的表面等离子体共振现象。金属膜为15nm时，在宽波段范围内同时激发了非常强的梳状s和p偏振泄漏模谐振、以及p偏振包层模谐振激发了非常明显的表面等离子体共振现象。
本实施例中，金属膜涂覆倾斜光纤光栅的环境响应特性如图4所示。其中，金属膜厚度为15nm。初始环境设为空气，即环境折射率为SRI＝1.0。通过调整空气环境的气压，从而改变环境折射率为SRI＝1.001，对应于环境发生非常大的变化(相应的气压增大～5倍)。如图所示，第一个泄漏模谐振的传感灵敏度达到6306dB/RIU，最灵敏的表面等离子体共振的灵敏度为3073dB/RIU，可用于实现高灵敏的环境参量传感检测。但是，其他梳状泄漏模谐振的谐振波长和谐振强度均保持稳定，说明梳状泄漏模谐振的光谱非常稳定，可用于梳状滤波及光纤激光器等器件。
本实施例中，进一步地，增加金属膜厚度可在宽波段内同时激发非常强的梳状泄漏模谐振以及表面等离子体共振。图5所示为金属膜厚度为40nm的金属膜涂覆倾斜光纤光栅透射谱。如图所示，激发了非常强的s偏振梳状泄漏模谐振，同时激发了较强的p偏振梳状泄漏模谐振以及表面等离子体共振。
本实施例中，进一步地，增大倾斜光纤光栅的倾斜角可在宽波段内激发非常强的梳状泄漏模谐振。图6所示为倾斜角为26.5°的金属膜涂覆倾斜光纤光栅透射谱。其中，金属膜厚度为15nm，同时激发了非常强的梳状s偏振和p偏振泄漏模谐振，而包层模谐振非常微弱，不能有效识别出来。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法，其特征在于包括有：宽带光源(1)、偏振控制器(2)、单模传输光纤(3)、金属膜涂覆倾斜光纤光栅(4)、及光谱分析仪(5)，其中，宽带光源(1)与偏振控制器(2)的一端连接，偏振控制器(2)的另一端经单模传输光纤(2)与金属膜涂覆倾斜光纤光栅(4)的一端连接，金属膜涂覆倾斜光纤光栅(4)的另一端通过单模传输光纤(3)与光谱分析仪(5)连接，所述的宽带光源(1)输出非偏振光，通过所述的偏振控制器(2)后转化为单一偏振方向的p偏振光或者s偏振光，然后经所述的单模传输光纤(3)输入至所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅(4)内，所述的p偏振光或者s偏振光输入至所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅(4)后，在其纤芯内激励起p偏振或者s偏振纤芯导模；在满足相位匹配条件时，所述的p偏振或者s偏振纤芯导模在所述的倾斜光纤光栅(6)内耦合至反向传播的一系列p偏振或者s偏振模式，从而产生系列p偏振或者s偏振包层模谐振和泄漏模谐振，在所述的金属膜(7)的作用下，所述的p偏振包层模谐振激发表面等离子体共振，同时所述的p偏振或s偏振泄漏模谐振被极大增强，即激发高强度梳状泄漏模谐振，从所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅(4)输出后经所述的单模传输光纤(3)输入至所述的光谱分析仪(5)并显示透射谱；
所述的金属膜涂覆倾斜光纤光栅(4)由表面涂覆有金属膜(7)的倾斜光纤光栅(6)构成。
2.根据权利要求1所述的利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法，其特征在于：所述倾斜光纤光栅(6)为刻写在单模石英光纤纤芯内的倾斜光纤光栅，光栅倾角介于10°～45°之间，光栅轴向周期介于100nm～1000nm之间，光栅长度大于10mm。
3.根据权利要求1所述的利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法，其特征在于：所述的金属膜(7)材料为金属材料，厚度介于2nm～70nm之间，通过磁控溅射方法涂覆在所述的倾斜光纤光栅(6)的包层表面。
4.根据权利要求4所述的利用金属膜同时激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振和表面等离子体共振的方法，其特征在于：所述金属材料为金、银、铜或铝。
5.一种如权利要求1所述方法的应用，其特征在于：该方法所激发的低阶泄漏模谐振和表面等离子体共振用于环境参量的高灵敏传感。
6.一种如权利要求1所述方法的应用，其特征在于：该环境参量为折射率或浓度。
7.一种如权利要求1所述方法的应用，其特征在于：所述金属膜激发的其他高阶梳状泄漏模谐振对环境变化不灵敏，应用于梳状滤波及光纤激光器。
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