CN111928880A - 基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤及其传感器 - Google Patents

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Abstract

一种基于表面等离子体效应的马赫‑曾德干涉光纤及其传感器，属于光纤传感器领域。基于表面等离子体效应的马赫‑曾德干涉光纤为在传感区域光纤外周设置有第一层金属膜，第一层金属膜外周设置有聚合物层，聚合物层外周设置有第二层金属膜；第一层金属膜的厚度为20～200nm，聚合物层的厚度为150～180nm，第二层金属膜的厚度为20～50nm。该光纤主要利用重金属薄膜在光波的作用下可以产生表面等离子体波，在双层重金属膜结构中，会产生两束等离子体波，从而会形成马赫‑曾德干涉。外界待测环境的变化会引起干涉光谱的移动，根据波长的移动量实现高灵敏度的检测。其结构简单、折射率灵敏度高、可工作在任意波段。

Description

基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤及其传感器
技术领域
本发明属于光纤传感器领域，具体涉及一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤及其传感器。
背景技术
光纤表面等离子体共振(SPR)传感器由于其高灵敏度得到了广泛的应用，其传感器的原理是：光在传输过程中，在两种介质的分界面处发生全反射时，会激发金属膜中的自由电子震荡，形成表面等离子体波。但是，目前基于表面等离子体共振原理的光纤传感器的工作波长主要集中在可见光波段，对长波长，甚至中红外波段存在一定的局限，因此，进一步提高灵敏度，拓宽工作波长，可以更好的扩大传感器的应用范围。
马赫-曾德干涉仪是将一束光信号分成两部分，一部分进入参考臂，一部分进入传感臂，传输一定的距离后重新汇聚到一起后即会发生干涉。外界参数的变化会影响传感臂，进而影响干涉光谱，通过干涉光谱的变化，可以得到外界参数的变化情况。因此，马赫-曾德干涉仪在传感领域已有一定的应用，但是其检测灵敏度没有SPR传感器高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，该基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，其基于表面等离子体与马赫-曾德干涉原理进行设计，主要利用重金属(金、银等)薄膜在光波的作用下可以产生表面等离子体波，在双层重金属膜结构中，会产生两束等离子体波。由于在两层金属膜中传输的模式不同，传输速率也不同，两束等离子体波会形成马赫-曾德干涉。外界待测环境的变化会引起干涉光谱的移动，根据波长的移动量实现高灵敏度的检测。该光纤传感器具有结构简单、折射率灵敏度高、可工作在任意波段等优点。是一种可以与多种光纤结构结合的高灵敏度光纤传感器，可应用于生物溶液浓度或气体浓度测量。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤，为在传感区域光纤外周设置有第一层金属膜，第一层金属膜外周设置有聚合物层，聚合物层外周设置有第二层金属膜；
所述的第一层金属膜选用的材料为能够产生等离子体波的重金属材料，所述的聚合物层为透光率≥85％的聚合物层，所述的第二层金属膜选用的材料为能够产生等离子体波的重金属材料；
所述的第一层金属膜的厚度为20～200nm，聚合物层的厚度为150～180nm，第二层金属膜的厚度为20～50nm。
进一步地，所述的第一层金属膜的长度和传感区域光纤长度相同，或比传感区域光纤长度短，其长度优选为1～2cm；所述的聚合物层的长度和第一层金属膜的长度相同，所述的第二层金属膜的长度和第一层金属膜的长度相同、或比第一层金属膜的长度短1～2mm。
所述的传感区域光纤，用于将传输的光产生的倏逝波耦合到传感区域光纤外，所述的传感区域光纤可以选用无芯光纤、D型单模光纤、D型光子晶体光纤、拉锥光纤、空芯光纤中的一种。
所述的第一层金属膜选用的材料为能够产生等离子体波的重金属材料，所述的重金属材料优选为金、银、铜、铝中的一种；
所述的聚合物层中的聚合物选用透光性≥85％的聚合物材料，优选为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
所述的第二层金属膜选用的材料为能够产生等离子体波的重金属材料，所述的重金属材料优选为金、银、铜、铝中的一种。
本发明的一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，包括上述基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤作为传感区域光纤，还包括第一传输光纤、第二传输光纤、宽带光源、光谱仪；
传感区域光纤的两端分别熔接第一传输光纤和第二传输光纤，在第一传输光纤的另一端连接宽带光源，第二传输光纤的另一端连接光谱仪。
所述的第一传输光纤，用于向传感区域光纤输入并传输光信号，所述的第一传输光纤选用单模光纤或多模光纤。
所述的第二传输光纤，用于将接受携带检测信息的输出光谱，并传递光信号至光谱仪，光谱仪和计算机联接；所述的第二传输光谱选用单模光纤或多模光纤。
进一步地，传感区域光纤的两端分别熔接第一传输光纤和第二传输光纤时，同轴芯对准熔接。
进一步地，当第一层金属膜和第二层金属膜长度不同时，长度相差的一端和第一传输光纤相连，作为光信号的输入端。
所述的光谱仪，用于测量光谱。
一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的应用，为将传感区域光纤置于待检测物的环境中。
所述的待检测物的环境，其为溶液或气体，用于检测溶液中待检测物的浓度或单一气体的浓度。
所述的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，其在1550nm工作波长处折射率灵敏度为20000±400nm/RIU。
一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：配置不同浓度待测物质的系列标准样，系列标准样中的待测物质浓度已知，依次为c1，c2，c3，c4，……cn；
步骤二：
将基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的传感区域光纤置于不同浓度待测物质的系列标准样中进行检测，得到对应不同待测物质的浓度，其输出光谱的波长移动量分别为Δλ1，Δλ2，Δλ3，Δλ4，……Δλn；
步骤三：
将浓度和测量的对应波长移动量进行拟合，得到待检测物的浓度与波长移动量之间的拟合关系式，具体为：
Δλ＝k×c+b
其中，c为待测物质的浓度，k为系数，Δλ为波长移动量，b为常数；
步骤四：
检测未知浓度的待测物质时，将基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的传感区域光纤放入未知浓度的待测物质中，进行测量，得到其波长移动量Δλ未；
将其代入拟合关系式，得到待测物质的浓度。
本发明的一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的工作原理是：首先，本发明主要是利用表面等离子体波，光在光纤中传输过程中，当在两种介质的分界面处发生全反射时，会激发金属膜中的自由电子震荡，形成表面等离子体波。其次，双层金属膜结构会形成两束表面等离子体波，由于金属膜长度的不同或通过聚合物层后产生表面等离子体波的时间不同，从而使得两束表面等离子体波之间会形成相位差，因此当两束表面等离子体波再次汇合时会产生马赫-曾德干涉。当外侧金属膜所接触的外界待测环境折射率发生变化时，干涉光谱会被影响进而发生移动，通过干涉光谱的移动量变化情况，可以检测待测物的变化，可以用于溶液浓度的检测、气体浓度的检测等。
本发明的一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明提出的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器不仅制作方法简单、成本低、抗干扰、可应用于多种参数的检测，而且，检测灵敏度高、可实时监测、可工作在任意波段等优点，同时还可以检测溶液浓度或气体浓度。
2、本发明提出的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，将表面等离子体波与马赫-曾德干涉原理相结合，打破了原有表面等离子体共振传感器对工作波长的限制，可以工作在任意波段，甚至是中红外波段，而且工作波长越长，灵敏度越高。
3、本发明提出的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的设计思路可以将传感区域光纤进行替换，具有高灵敏度、免标记、实时监测等优势，使其适用于不同的检测场合，可以在不同的检测领域推广，比如，生物医学，环境监测，食品安全等领域。
4、本发明提出的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，体积小，直径小，所需的检测样本量小，可以直接和商用的单模光纤或多模光纤熔接，更好的抗外界干扰，而且使用更加灵活，可以应用到多种场合。
附图说明
图1为本发明的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤的截面结构示意图；
图2为本发明的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的整体结构示意图；
图3为本发明的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的输出光谱图；
图4为本发明的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的折射率和波长的拟合曲线图；
图5为本发明的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器在不同波长时的灵敏度。
以上图中，图中，101为第一传输光纤，102为第二传输光纤，2为传感区域光纤，3为第一层金属膜，4为聚合物层，5为第二层金属膜，6为宽带光源，7为光谱仪。
具体实施方式
以下实施例结合附图对本发明进一步详细说明，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例中提供一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤，其结构示意图见图1，本实施例提供一种通过检测不同浓度的溶液浓度，产生不同输出光谱的光纤传感器，进行溶液浓度的检测。
如图2所示，一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，包括依次相连的第一传输光纤101，传感区域光纤2，本实施例的传感区域光纤为无芯光纤，第二传输光纤102，其中，第一传输光纤101和第二传输光纤102为商用的多模光纤，其中，第一传输光纤101的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，长度可以根据实验中所使用设备的距离确定，本实施例中使用长度为0.5米；其中，第二传输光纤102的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，长度可以根据实验中所使用设备的距离确定，本实施例中使用长度为0.5米。无芯光纤的外径为125μm，长度为2cm，无芯光纤的外壁利用磁控溅射方法，使用磁控溅射仪镀上第一层金属膜3，第一层金属膜3为金膜，厚度为100nm，长度为2cm。然后使用镀膜机在第一层金属膜3外涂有聚合物层4，聚合物材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，厚度为160nm，长度为2cm。聚合物层4表面利用磁控溅射方法镀第二层金属膜5，第二层金属膜5为金膜，厚度为20nm，长度为2cm。利用光纤熔接机将无芯光纤两端分别与第一传输光纤101和第二传输光纤102熔接。将无芯光纤的一端和第一传输光纤101熔接，第一传输光纤101的一端与宽带光源6相连接，第二传输光纤102另一端与光谱仪7连接，无芯光纤区域放置于待测溶液中，通过对不同浓度待测溶液的折射率不同，从而使得基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器检测的波长移动量不同，根据如下步骤即可计算其对应的待测溶液的浓度。
将上述制备的本发明基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器进行待测溶液浓度测试，其包括以下步骤：
步骤一：配置不同浓度待测物质的系列标准样，系列标准样中，待测物质浓度已知；
本实施例中，待测物质为NaCl，其系列标准样的质量百分浓度分别为c1为0％，c2为0.0625％，c3为0.125％，c4为0.1875％，c5为0.25％；本实施例中系列标准样的对应的折射率可以使用阿贝折射仪测出，折射率n0分别为n1为1.3333，n2为1.3334，n3为1.3335，n4为1.3336和n5为1.3337；
步骤二：
将基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的传感区域光纤依次置于不同浓度待测物质的系列标准样中，进行检测，得到其对应不同浓度的输出光谱的波长移动量Δλ；分别记为Δλ1，Δλ2，Δλ3，Δλ4，Δλ5；
步骤三：
根据待测物标准液的浓度与波长移动量进行数据拟合，得到二者之间的拟合关系式：Δλ＝-32.056×c-0.0112；
步骤四：
然后可以观测该传感器波长移动量对未知浓度液体进行测量；具体为：
取一未知浓度的NaCl溶液，将基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的传感区域光纤置于溶液中，检测得到其对应的波长移动量Δλ，代入上述拟合关系式中，得到该未知浓度的NaCl溶液，NaCl的质量占NaCl溶液总质量的质量百分浓度。
为了验证本发明所提出的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的性能，使用400～2000nm波段的白光光源作为宽带光源6，使用海洋光学光谱仪作为光谱仪7，用于检测传感器输出光谱。分别使用上述折射率为1.3333，1.3334，1.3335，1.3336和1.3337的NaCl溶液作为标准液进行测量，分别记录输出光谱，如图3所示。从图中可以看出，输出光谱为周期性的干涉光谱。当折射率增加时，干涉光谱向左移动，通过光谱的移动情况可以得到本实施例传感器的检测灵敏度。
传感器对待测样品折射率灵敏度可以表示为干涉光谱的偏移Δλ与待测样品折射率变化的比值，即
Figure BDA0002664075020000061
其中，SRI为折射率灵敏度，Δλ为波长移动量，Δn为折射率变化量。
在室温25℃时，进行折射率测量实验，实验中使用折射率不同的NaCl溶液，并调节NaCl溶液的浓度从1.3333变化到1.3337，每隔0.0001记录一组输出光谱。提取不同折射率时干涉光谱的特征波长进行拟合，得到图4本实施例的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的折射率灵敏度拟合曲线。由图4的拟合曲线的斜率可得到本发明提出的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的折射率灵敏度达到20035.04nm/RIU。
通常情况下，SPR传感器的输出光谱仅有一个吸收峰，工作在可见光波段，但是基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤及其传感器在任意波段都存在干涉谱，可以工作在任意波长。基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器在不同波长时的灵敏度见图5，从图5可以看出，工作波长越长灵敏度越高。
实施例2
本实施例中提供一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤，本实施例提供一种通过检测不同浓度的溶液浓度，产生不同输出光谱的光纤传感器，进行溶液浓度的检测。
本实施例的一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，包括依次相连的第一传输光纤101，传感区域光纤2，本实施例的传感区域光纤为无芯光纤，第二传输光纤102，其中，第一传输光纤101和第二传输光纤102为商用的多模光纤，其中，第一传输光纤101的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，长度可以根据实验中所使用设备的距离确定，本实施例中使用长度为0.5米；其中，第二传输光纤102的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，长度可以根据实验中所使用设备的距离确定，本实施例中使用长度为0.5米。无芯光纤的外径为125μm，长度为2cm，无芯光纤的外壁利用磁控溅射方法，使用磁控溅射仪镀上第一层金属膜3，第一层金属膜3为金膜，厚度为100nm，长度为2cm。然后使用镀膜机在第一层金属膜3外涂有聚合物层4，聚合物材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度为160nm，长度为2cm。聚合物层4表面利用磁控溅射方法镀第二层金属膜5，第二层金属膜5为金膜，厚度为20nm，长度为1.9cm。利用光纤熔接机将无芯光纤两端分别与第一传输光纤101和第二传输光纤102熔接。其中，第二层金属膜比第一层金属膜短的无芯光纤一端和第一传输光纤101熔接，第一传输光纤101的一端与宽带光源6相连接，第二传输光纤102另一端与光谱仪7连接，无芯光纤区域放置于待测溶液中，通过对不同浓度待测溶液的折射率不同，通过检测输出光谱的波长移动量，通过以下步骤即可计算其对应的待测溶液的浓度。
将上述制备的本发明基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器进行待测溶液浓度测试，其包括以下步骤：
步骤一：配置不同浓度待测物质的系列标准样，系列标准样中，待测物质浓度已知；
本实施例中，待测物质为NaCl，其系列标准样的质量百分浓度分别为c1为0％，c2为0.0625％，c3为0.125％，c3为0.1875％，c5为0.25％；本实施例中系列标准样的对应的折射率可以使用阿贝折射仪测出，折射率n0分别为n1为1.3333，n2为1.3334，n3为1.3335，n4为1.3336和n5为1.3337；
步骤二：
将基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的传感区域光纤依次置于不同浓度待测物质的系列标准样中，进行检测，得到其对应的不同浓度输出光谱的波长移动量Δλ，分别记为Δλ1，Δλ2，Δλ3，Δλ4，Δλ5；
步骤三：
根据待测物标准液的浓度与波长移动量进行数据拟合，得到二者之间的拟合关系式：Δλ＝-32.056×c-0.0112；
步骤四：
然后可以观测该传感器波长的移动量对未知浓度液体进行测量；具体为：
取一未知浓度的NaCl溶液，将基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的传感区域光纤置于溶液中，检测得到其对应的波长移动量Δλ，代入上述拟合关系式中，得到该未知浓度的NaCl溶液，NaCl的质量占NaCl溶液总质量的质量百分浓度。
为了验证本发明所提出的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的性能，使用400～2000nm波段的白光光源作为宽带光源6，使用海洋光学光谱仪作为光谱仪7，用于检测传感器输出光谱。分别使用浓度质量分数0％，0.0625％，0.125％，0.1875％，0.25％的NaCl溶液作为标准液进行测量，分别记录输出光谱，同样可以得到一组周期性的干涉光谱，只是输出光谱的周期与实施例一不同。当液体浓度增加时，干涉光谱向左移动，通过光谱的移动情况可以得到本实施例传感器的检测灵敏度。
传感器对待测样品浓度灵敏度灵敏度Sc可以表示为干涉光谱的偏移Δλ与待测样品折射率变化的比值，即
Figure BDA0002664075020000081
其中，Sc为浓度灵敏度，Δλ为波长移动量，Δc为浓度变化量。
在室温25℃时，进行折射率测量实验，实验中使用折射率不同的NaCl溶液，并调节NaCl溶液的浓度从0变化到2.5％，每隔0.625％记录一组输出光谱。提取不同浓度时干涉光谱的光谱波长移动量进行拟合，得二者之间的关系式Δλ＝-32.056×c-0.0112。由关系式可得到本发明提出的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的浓度灵敏度为32.05nm/％对应折射率灵敏度达到20035.04nm/RIU。
实施例3
本实施例中提供一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤，本实施例提供一种通过检测不同浓度的单一气体，产生不同输出光谱的光纤传感器，进行单一气体浓度的检测。
本实施例的一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，包括依次相连的第一传输光纤101，传感区域光纤2，本实施例的传感区域光纤为无芯光纤，第二传输光纤102，其中，第一传输光纤101和第二传输光纤102为商用的多模光纤，其中，第一传输光纤101的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，长度可以根据实验中所使用设备的距离确定，本实施例中使用长度为0.5米；其中，第二传输光纤102的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，长度可以根据实验中所使用设备的距离确定，本实施例中使用长度为0.5米。无芯光纤的外径为125μm，长度为2cm，无芯光纤的外壁利用磁控溅射方法，使用磁控溅射仪镀上第一层金属膜3，第一层金属膜3为金膜，厚度为100nm，长度为2cm。然后使用镀膜机在第一层金属膜3外涂有聚合物层4，聚合物材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，厚度为160nm，长度为2cm。聚合物层4表面利用磁控溅射方法镀第二层金属膜5，第二层金属膜5为金膜，厚度为20nm，长度为2cm。利用光纤熔接机将无芯光纤两端分别与第一传输光纤101和第二传输光纤102熔接。将无芯光纤的一端和第一传输光纤101熔接，第一传输光纤101的一端与宽带光源6相连接，第二传输光纤102另一端与光谱仪7连接，无芯光纤区域放置于待测气体环境中，通过对不同浓度待测气体环境的折射率不同，通过检测输出光谱的波长移动量，通过以下步骤即可计算其对应的待测气体的浓度。
将上述制备的本发明基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器进行待测单一气体浓度测试，其包括以下步骤：
步骤一：配置不同浓度待测物质的系列标准样，系列标准样中，待测物质浓度已知；
本实施例中，待测物质为H2，向真空环境中通入H2，配置系列标准样，其标准样浓度分别为c1为0ppm，c2为3ppm，c3为15ppm，c4为60ppm，c5为120ppm；
步骤二：
将基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的传感区域光纤依次置于不同浓度待测物质的系列标准样中，进行检测，得到其对应的输出光谱的波长移动量Δλ；分别记为Δλ1，Δλ2，Δλ3，Δλ4，Δλ5；
步骤三：
根据待测物标准样的浓度与波长移动量进行数据拟合，得到二者之间的拟合关系式：Δλ＝-1.69×c-0.0112；
步骤四：
然后可以使用该传感器对未知浓度气体环境进行测量；具体为：
取一未知浓度的H2，将基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的传感区域光纤置于气体中，检测得到其对应的波长移动量Δλ，代入上述拟合关系式中，得到H2的浓度，即H2在气体环境中，其质量百分浓度。
为了验证本发明所提出的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的性能，使用400～2000nm波段的白光光源作为宽带光源6，使用海洋光学光谱仪作为光谱仪7，用于检测传感器输出光谱。分别使用浓度为0ppm，3ppm，15ppm，60ppm，120ppm的H2气体环境作为标准样进行测量，分别记录输出光谱。当气体浓度增加时，干涉光谱向左移动，通过光谱的移动情况可以得到本实施例传感器的检测灵敏度。
传感器对待测样品浓度灵敏度灵敏度Sc可以表示为干涉光谱的偏移Δλ与待测样品折射率变化的比值，即
Figure BDA0002664075020000091
其中，Sg为浓度灵敏度，Δλ为波长移动量，Δc为浓度变化量。
在室温25℃时，进行折射率测量实验，实验中使用不同浓度的H2环境，分别记录输出光谱。提取不同浓度时干涉光谱的光谱波长移动量进行拟合，得二者之间的关系式Δλ＝-1.69×c-0.0112。由关系式可得到本发明提出的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的浓度灵敏度为1.59nm/RIU对应折射率灵敏度达到20035.04nm/RIU。
实施例4
本实施例提供一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，其结构同实施例1，不同之处在于：
第一层金属膜3选用银膜，第二层金属膜5选用铜膜；
对该光纤进行灵敏度检测，检测方法同实施例1，将待测物标准样的浓度与波长移动量进行数据拟合，得到二者之间的拟合关系式为Δλ＝-29.752×c-0.0083。
实施例5
本实施例提供一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，其结构同实施例1，不同之处在于：
第一层金属膜3的厚度为40nm；
第二层金属膜5的厚度为40nm。
采用该实施例的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，进行检测，根据待测物标准液的浓度与波长移动量进行数据拟合，得到二者之间的拟合关系式为：Δλ＝-25.788×c-0.0072，然后可以观测该传感器波长的移动量对未知浓度液体进行测量。
在室温25℃时，进行折射率测量实验，实验中使用折射率不同的NaCl溶液，并调节NaCl溶液的浓度从1.3333变化到1.3337，每隔0.0001记录一组输出光谱。提取不同折射率时干涉光谱的特征波长进行拟合，得到实施例5中基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的折射率灵敏度达到16117.47nm/RIU。
对比例1
一种光纤，其结构同实施例1，不同之处在于：
第一层金属膜3的厚度为220nm；
第二层金属膜5的厚度为10nm。
由于第一层金属膜过厚，疏逝场不能穿透金属膜，导致第二层金属膜处不能产生SPR。
说明金属膜过厚或过薄都不能产生SPR。
对比例2
一种光纤，其结构同实施例1，不同之处在于：
聚合物层的厚度为100nm，因为聚合物层厚度太薄，从而进入的光在第一层金属膜和第二层金属膜产生的SPR其相位差太小，从而并不能产生干涉，其检测灵敏度大大下降。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤，其特征在于，该基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤为在传感区域光纤外周设置有第一层金属膜，第一层金属膜外周设置有聚合物层，聚合物层外周设置有第二层金属膜；
所述的第一层金属膜选用的材料为能够产生等离子体波的重金属材料，所述的聚合物层为透光率≥85％的聚合物层，所述的第二层金属膜选用的材料为能够产生等离子体波的重金属材料；
所述的第一层金属膜的厚度为20～200nm，聚合物层的厚度为150～180nm，第二层金属膜的厚度为20～50nm。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤，其特征在于，所述的第一层金属膜的长度和传感区域光纤长度相同，或比传感区域光纤长度短；
所述的聚合物层的长度和第一层金属膜的长度相同；
所述的第二层金属膜的长度和第一层金属膜的长度相同、或比第一层金属膜的长度短1～2mm。
3.根据权利要求1所述的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤，其特征在于，所述的传感区域光纤，用于将传输的光产生的倏逝波耦合到传感区域光纤外，所述的传感区域光纤选用无芯光纤、D型单模光纤、D型光子晶体光纤、拉锥光纤、空芯光纤中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤，其特征在于，所述的第一层金属膜选用的材料为金、银、铜、铝中的一种；
所述的聚合物层中的聚合物选用的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷；
所述的第二层金属膜选用的材料为金、银、铜、铝中的一种。
5.一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，其特征在于，包括权利要求1～4任意一项所述的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤作为传感区域光纤，还包括第一传输光纤、第二传输光纤、宽带光源、光谱仪；
传感区域光纤的两端分别熔接第一传输光纤和第二传输光纤，在第一传输光纤的另一端连接宽带光源，第二传输光纤的另一端连接光谱仪。
6.根据权利要求5所述的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，其特征在于，所述的第一传输光纤，用于向传感区域光纤输入并传输光信号，所述的第一传输光纤选用单模光纤或多模光纤；
所述的第二传输光纤，用于将接受携带检测信息的输出光谱，并传递光信号至光谱仪，光谱仪和计算机联接；所述的第二传输光谱选用单模光纤或多模光纤。
7.根据权利要求5所述的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，其特征在于，传感区域光纤的两端分别熔接第一传输光纤和第二传输光纤时，同轴芯对准熔接。
8.根据权利要求5所述的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，其特征在于，所述的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，其在1550nm工作波长处折射率灵敏度为20000±400nm/RIU。
9.权利要求5所述的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的应用，其特征在于，为将传感区域光纤置于待检测物的环境中；
所述的待检测物的环境，其为溶液或气体，用于检测溶液中待检测物的浓度或单一气体的浓度。
10.根据权利要求9所述的基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的应用，其特征在于，检测过程，包括以下步骤：
步骤一：配置不同浓度待测物质的系列标准样，系列标准样中的待测物质浓度已知，依次为c1，c2，c3，c4，……cn；
步骤二：
将基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的传感区域光纤置于不同浓度待测物质的系列标准样中进行检测，得到对应不同待测物质的浓度，其输出光谱的波长移动量分别为Δλ1，Δλ2，Δλ3，Δλ4，……Δλn；
步骤三：
将浓度和测量的对应波长移动量进行拟合，得到待检测物的浓度与波长移动量之间的拟合关系式，具体为：
Δλ＝k×c+b
其中，c为待测物质的浓度，k为系数，Δλ为波长移动量，b为常数；
步骤四：
检测未知浓度的待测物质时，将基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器的传感区域光纤放入未知浓度的待测物质中，进行测量，得到其波长移动量Δλ未；
将其代入拟合关系式，得到待测物质的浓度。
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