CN112665751B - 基于spr的提高双折射及温度测量精度的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供了基于SPR的提高双折射及温度测量精度的方法及装置，它包括填充温敏液体甲苯的小孔、金属金层、石墨烯孔、按规则排列的两层小空气孔和大空气孔、石英基底和完美匹配层；各个空气孔在石英基底上以填充温敏液体甲苯的小孔为中心规则排列；在石英基底外设置完美匹配层，在填充温敏液体甲苯的小孔外包覆金属金层。通过Comsol模拟仿真计算，当空气孔间距为2.4μm、填充温敏液体甲苯的小孔的直径为2.5μm、金属金层厚度为35nm、石墨烯孔和按规则排列的小空气孔的直径为1.2μm、按规则排列的大空气孔的直径为2.0μm、石英基底的折射率为1.45、工作波长为1150nm‑1350nm时，温度分辨率达到0.005291℃，平均温度灵敏度为‑6.93571nm/℃，双折射达到0.0384。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于SPR的提高双折射及温度测量精度的方法及装置。
背景技术
与传统光学器件相比，微结构光纤具有高双折射，超高非线性，极低的约束损耗，无休止的单模运算等优势。其中，光子晶体光纤(PCF)是最理想的微结构光纤。近年来，具有高双折射和非线性特性的PCF在通信和超连续介质应用中获得广泛的关注。由于PCF的制作工艺复杂，尺寸精度大等困难，无法实现大批量生产加工，只能通过仿真软件对其结构及性质进行研究。基于表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种物理光学现象，它由金属材料和电介质的交界面产生。因为共振波长的变化极为敏感，所以可以利用这种变化进行传感，从而使得SPR-PCF结合的传感性能更为良好，进而对基于SPR-PCF的提高温度测量精度的装置的研究具有很大的竞争力。
目前，SPR-PCF传感的相关研究方面，已有方形结构的设计被提出，但并不具有实用性且精度较低。因此，设计一种具有高精度且实用化的基于SPR的双折射及温度测量方法及装置就显得尤为重要。
发明内容
本发明提供了基于SPR的提高双折射及温度测量精度的方法及装置，是为了改善现有双折射数值小、温度测量精度低及实用化等问题。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
技术方案：基于SPR的提高双折射及温度测量精度的方法及装置，其特征在于：它包括填充温敏液体甲苯的小孔(1)、金属金层(2)、石墨烯孔(3)、第一层小空气孔(4)、第二层小空气孔(5)、第一层大空气孔(6)、第二层大空气孔(7)、石英基底(8)和完美匹配层(9)；
所述石英基底(8)上以填充温敏液体甲苯的小孔(1)为中心规则排列有石墨烯孔(3)和第一层小空气孔(4)，第二层小空气孔(5)，第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)，石墨烯孔(3)和第一层小空气孔(4)交叉排列，石墨烯孔(3)的直径、第一层小空气孔(4)的直径与第二层小空气孔(5)的直径相同，第一层大空气孔(6)的直径和第二层大空气孔(7)的直径相同；
所述石英基底(8)外设置完美匹配层(9)，在填充温敏液体甲苯的小孔(1)外包覆金属金层(2)；
所述填充温敏液体甲苯的小孔(1)和金属金层(2)构成传感通道，金属金层表面激发的等离子体模与基模在特定的波长范围内达到相位匹配，引发波谱中的一系列共振损耗峰；
所述石墨烯孔(3)环绕在填充温敏液体甲苯的小孔(1)的四周，以降低光能量在该装置内的额外损耗。
石墨烯孔(3)和第一层小空气孔(4)、第二层小空气孔(5)、第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)中，相邻气孔之间的距离为2.4μm-2.8μm。
填充温敏液体甲苯的小孔(1)的直径为2.5μm，金属金层(2)的厚度为25nm-45nm，石墨烯孔(3)、第一层小空气孔(4)和第二层小空气孔(5)的直径为1.2μm-1.5μm，第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)的直径为2.0μm-2.5μm，石英基底(8)的折射率为1.41-1.45。
通过Comsol模拟仿真计算，当空气孔间距为2.4μm，填充温敏液体甲苯的小孔(1)的直径为2.5μm，金属金层(2)厚度为35nm，石墨烯孔(3)、第一层小空气孔(4)和第二层小空气孔(5)的直径为1.2μm，第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)的直径为2.0μm，石英基底(8)的折射率为1.45，工作波长为1150nm-1350nm时，温度分辨率达到0.005291℃，平均温度灵敏度为-6.93571nm/℃，双折射达到0.0384。
本发明专利的有益效果是，将上述的PCF接入测温系统中，其温度的分辨率最高可达到0.005291℃，双折射最大值为0.0384。
附图说明
图1为基于SPR的提高双折射及温度测量精度的方法及装置结构图。
图2为基于SPR的提高双折射及温度测量精度的系统示意图。
图3-图6为仿真得到的从基模到SPR模式的能量分布图。
图7为仿真得到的基模、表面等离子体模有效折射率实部以及基模损耗谱与入射波长的关系。
图8为仿真得到的温度传感器的灵敏度曲线。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，基于SPR的提高双折射及温度测量精度的方法及装置，其特征在于：它包括填充温敏液体甲苯的小孔(1)、金属金层(2)、石墨烯孔(3)、第一层小空气孔(4)、第二层小空气孔(5)、第一层大空气孔(6)、第二层大空气孔(7)、石英基底(8)和完美匹配层(9)；
所述石英基底(8)上以填充温敏液体甲苯的小孔(1)为中心规则排列有石墨烯孔(3)和第一层小空气孔(4)，第二层小空气孔(5)，第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)，石墨烯孔(3)和第一层小空气孔(4)交叉排列，石墨烯孔(3)的直径、第一层小空气孔(4)的直径与第二层小空气孔(5)的直径相同，第一层大空气孔(6)的直径和第二层大空气孔(7)的直径相同；
所述石英基底(8)外设置完美匹配层(9)，在填充温敏液体甲苯的小孔(1)外包覆金属金层(2)；
所述填充温敏液体甲苯的小孔(1)和金属金层(2)构成传感通道，金属金层表面激发的等离子体模与基模在特定的波长范围内达到相位匹配，引发波谱中的一系列共振损耗峰；
所述石墨烯孔(3)环绕在填充温敏液体甲苯的小孔(1)的四周，以降低光能量在该装置内的额外损耗。
进一步的，石墨烯孔(3)和第一层小空气孔(4)、第二层小空气孔(5)、第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)中，相邻气孔之间的距离为2.4μm-2.8μm。
进一步的，填充温敏液体甲苯的小孔(1)的直径为2.5μm，金属金层(2)的厚度为25nm-45nm，石墨烯孔(3)、第一层小空气孔(4)和第二层小空气孔(5)的直径为1.2μm-1.5μm，第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)的直径为2.0μm-2.5μm，石英基底(8)的折射率为1.41-1.45。
通过Comsol模拟仿真计算，当空气孔间距为2.4μm，填充温敏液体甲苯的小孔(1)的直径为2.5μm，金属金层(2)厚度为35nm，石墨烯孔(3)、第一层小空气孔(4)和第二层小空气孔(5)的直径为1.2μm，第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)的直径为2.0μm，石英基底(8)的折射率为1.45，工作波长为1150nm-1350nm时，温度分辨率达到0.005291℃，平均温度灵敏度为-6.93571nm/℃，双折射达到0.0384。
工作原理：如图2所示，ASE光源(10)连接PCF(11)进入光谱仪(12)中。由于填充温敏液体甲苯的折射率随温度变化，SPR模式和基模的模式均发生变化，通过监测共振波长和波谱的峰值功率，可以实现高灵敏度、实时性的温度探测，并由不同偏振方向的有效模式折射率计算得到双折射值。
本发明专利所设计的PCF，采用Comsol进行仿真模拟，取工作波长wl的范围是1150nm-1350nm，步长为10nm进行参数化扫描；填充温敏液体甲苯的小孔直径d_c＝2.5μm；金属金层厚度t_Au的范围是25nm-45nm，步长为10nm进行参数化扫描；空气孔间距为2.4μm；石墨烯孔和小空气孔直径d1＝1.2μm；大空气孔直径d2＝2.0μm；PML层厚度为wl/2；温度T的范围是0℃-30℃，步长为5℃进行参数化扫描。其中温敏液体甲苯的折射率随温度变化的公式(1)如下：
n(λ)＝1.474775+6990.31/λ2+2.1776×108/λ4-α(T-20.15) (1)；
如图3-图4表示由仿真得到的X偏振方向和Y偏振方向的基模的模场能量分布图；图5表示当发生等离子共振时，基模的能量转移到中心金属金层的(SPR)模场能量分布图；图6表示基模的能量完全转移到了中心金属金层的(SPR)模场能量分布图。
如图7所示为基模、表面等离子体模的有效折射率实部以及基模损耗谱与入射波长的关系。可以看出，当入射波长为1210nm时，表征基模、表面等离子体模的有效折射率实部的两条直线相交，说明此时共振条件得以满足。其中，有效折射率的公式如(2)所示，限制损耗的公式如(3)所示。此时，限制损耗达到最大值8.1124dB/cm。
neff＝Re(neff)+jIm(neff) (2)；
如图8所示为温度传感器的灵敏度曲线。可以看出，当温度范围在0℃-30℃之间变化时，该传感器的平均温度灵敏度为-6.93571nm/℃，对应的线性相关系数为0.93523。温度灵敏度的公式如(4)所示。假设光谱发生Δλmin＝0.1nm的变化都能被检测到，则该温度传感器的温度分辨率可用(5)进行计算。并结合图8可以看出，ΔT＝10℃，根据仿真结果，通过公式(5)计算得到0℃-30℃范围内的温度分辨率达到0.005291℃。
Claims (2)
1.基于SPR的提高双折射及温度测量精度的装置，其特征在于：它包括填充温敏液体甲苯的小孔(1)、金属金层(2)、石墨烯孔(3)、第一层小空气孔(4)、第二层小空气孔(5)、第一层大空气孔(6)、第二层大空气孔(7)、石英基底(8)和完美匹配层(9)；
所述石英基底(8)上以填充温敏液体甲苯的小孔(1)为中心规则排列有石墨烯孔(3)和第一层小空气孔(4)，第二层小空气孔(5)，第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)，石墨烯孔(3)和第一层小空气孔(4)交叉排列，石墨烯孔(3)的直径、第一层小空气孔(4)的直径与第二层小空气孔(5)的直径相同，第一层大空气孔(6)的直径和第二层大空气孔(7)的直径相同；
所述石英基底(8)外设置完美匹配层(9)，在填充温敏液体甲苯的小孔(1)外包覆金属金层(2)；
所述填充温敏液体甲苯的小孔(1)和金属金层(2)构成传感通道，金属金层表面激发的等离子体模与基模在特定的波长范围内达到相位匹配，引发波谱中的一系列共振损耗峰；
所述石墨烯孔(3)环绕在填充温敏液体甲苯的小孔(1)的四周，以降低光能量在该装置内的额外损耗；
石墨烯孔(3)和第一层小空气孔(4)、第二层小空气孔(5)、第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)中，相邻气孔之间的距离为2.4μm-2.8μm；
填充温敏液体甲苯的小孔(1)的直径为2.5μm，金属金层(2)的厚度为25nm-45nm，石墨烯孔(3)、第一层小空气孔(4)和第二层小空气孔(5)的直径为1.2μm-1.5μm，第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)的直径为2.0μm-2.5μm，石英基底(8)的折射率为1.41-1.45。
2.根据权利要求1所述的基于SPR的提高双折射及温度测量精度的装置，通过Comsol模拟仿真计算，当空气孔间距为2.4μm，填充温敏液体甲苯的小孔(1)的直径为2.5μm，金属金层(2)厚度为35nm，石墨烯孔(3)、第一层小空气孔(4)和第二层小空气孔(5)的直径为1.2μm，第一层大空气孔(6)和第二层大空气孔(7)的直径为2.0μm，石英基底(8)的折射率为1.45，工作波长为1150nm-1350nm时，温度分辨率达到0.005291℃，平均温度灵敏度为-6.93571nm/℃，双折射达到0.0384。
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