CN113466760A - 温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，包括：D型光子晶体光纤本体和磁流体层，D型光子晶体光纤本体的顶部抛光形成抛光平面，抛光平面上镀金膜层，磁流体层涂覆在金膜层上；D型光子晶体光纤本体包括二氧化硅包层和21个位于二氧化硅包层中的空气孔；从D型光子晶体光纤本体的底部向上设置4层空气孔；各层内的空气孔的圆心都位于同一直线上；所述第三层第三个空气孔的内壁镀有金膜，内部填充聚二甲基硅氧烷。本发明采用了D型光子晶体光纤结合SPR技术测量磁场，避免了磁场传感器体积大，灵敏度低等问题；采用在D型光子晶体光纤中镀金膜并填充磁流体和PDMS的方式，实现了传感器对磁场和温度的同时测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器。
背景技术
近年来磁场传感技术得到了迅速发展，在航空航天、医学、海底环境检测、地质勘探和电力系统等领域有着广泛的应用，例如在电力系统中，设备或系统需要在其电磁环境中正常工作，所以无论是设备对干扰的承受能力还是设备对环境所产生的干扰，都需要通过测量手段进行测量。但是传统的电学磁场传感器存在体积大，灵敏度低等问题，而光纤磁场传感器具有体积小，耐腐蚀，高灵敏度和高精度等优点，目前已成为磁场传感技术的主要研究方向之一。由于磁流体没有机械磨损，可有效提高传感器灵敏度和寿命，基于磁流体的光纤传感器成为了近几年的研究热点。磁流体是一种稳定的胶体，由强磁性纳米粒子和表面活性剂组成，均匀分散在基载液中，它有液体的流动性和磁性材料的磁性，对磁场变化异常敏感，随着外界磁场强度的变化，磁流体的折射率也会发生相应的变化。目前基于磁流体的光纤磁场传感器大多只能测量磁场单参量，并且在进行测量时易受温度的影响，产生温度和磁场交叉敏感问题。所以亟需对磁场和温度双参量进行同时测量以解决交叉敏感问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，以解决现有光纤磁场传感器的磁场灵敏度低，传感器易受温度干扰而影响磁场灵敏度等问题。
本发明的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，包括：D型光子晶体光纤本体和磁流体层，所述D型光子晶体光纤本体的顶部抛光形成抛光平面，所述抛光平面上镀金膜层，磁流体层涂覆在金膜层上；所述D型光子晶体光纤本体包括二氧化硅包层和21个位于二氧化硅包层中的空气孔；从D型光子晶体光纤本体的底部向上设置4层空气孔；包括4个第一层空气孔、5个第二层空气孔、6个第三层空气孔和6个第四层空气孔；各层内的空气孔的圆心都位于同一直线上；所述第三层第三个空气孔的内壁镀有金膜，内部填充聚二甲基硅氧烷。
在本发明的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，前三层空气孔中每层内的相邻两个空气孔的圆心间距为2μm；第四层第三个空气孔和第四个空气孔的圆心间距为4μm。
在本发明的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器中，每层的首个空气孔的圆心位于同一条与水平线夹角为120度的直线上。
在本发明的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器中，第三层第三个空气孔的半径范围为：0.50-0.54μm，镀金膜厚度为35-55nm。
在本发明的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器中，第三层第三个空气孔半径为0.52μm，镀金膜厚度为50nm；其余20个空气孔的半径都为0.7μm。
在本发明的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器中，所述抛光平面上镀金膜层的厚度为35-55nm。
本发明的一种温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，至少具有以下有益效果：
1.本发明采用了D型光子晶体光纤结合表面等离子体共振技术测量磁场，避免了磁场传感器体积大，灵敏度低等问题；
2.采用在D型光子晶体光纤中镀金膜并填充磁流体和PDMS的方式，实现了传感器对磁场和温度的同时测量。
3.本发明加入温度自参考，有效避免了温度对磁流体的影响，以此解决磁场和温度的交叉敏感问题，实现温度自参考以提高磁场检测的灵敏度。
附图说明
图1为本发明中的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器的结构图；
图2A为电场在金膜和磁流体的结合处出现SPP模分布图；
图2B为电场在填充聚二甲基硅氧烷的空气孔周围处的SPP模分布图；
图3A为所镀金膜厚度为35～55nm时的损耗谱图；
图3B为第三层第三个空气孔的半径为0.50μm、0.52μm、0.54μm时的损耗谱图；
图4A为通道1中磁场强度不变时，温度为25℃～55℃时的损耗谱；
图4B为通道1中温度为25℃～55℃时共振波长的拟合结果；
图4C为通道1中温度25℃时，磁场强度为0Oe～350Oe时的损耗谱；
图4D为通道1中磁场强度变化为0Oe～350Oe时共振波长的拟合结果；
图5A为通道2中温度25℃时，磁场强度为0Oe～350Oe时的损耗谱；
图5B为通道2磁场强度为0Oe～350Oe时共振波长的拟合结果；
图5C为通道2中磁场强度不变时，温度为25℃～55℃时的损耗谱；
图5D为通道2中温度为25℃～55℃时共振波长的拟合结果。
具体实施方式
本发明提出了一种温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，用于同时测量磁场和温度。光纤平坦表面涂有金膜，并覆盖有磁流体以检测磁场，温度传感可以通过用热敏材料填充包层中的镀金气孔来进行。该传感器的透射谱具有两个共振峰，这两个共振峰对外部磁场和温度具有不同的灵敏度，这意味着该传感器可以实现上述两个参数的同时测量。此外，由于磁流体和热敏材料的填充，传感器的检测灵敏度显著提高。
如图1所示，本发明的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，包括：D型光子晶体光纤本体1和磁流体层2，所述D型光子晶体光纤本体1的顶部抛光形成抛光平面，所述抛光平面上镀金膜层11，磁流体层2涂覆在金膜层11上。所述D型光子晶体光纤本体1包括二氧化硅包层和21个位于二氧化硅包层中的空气孔13。从D型光子晶体光纤本体1的底部向上设置4层空气孔；包括4个第一层空气孔、5个第二层空气孔、6个第三层空气孔和6个第四层空气孔；各层内的空气孔的圆心都位于同一直线上。前三层空气孔中每层内的相邻两个空气孔的圆心间距为2μm；第四层的第三个空气孔131和第四个空气孔132的圆心间距为4μm。所述第三层第三个空气孔133内壁镀有金膜，并填充聚二甲基硅氧烷14。所述抛光平面上镀金膜层的厚度为35-55nm。图中d2、d1、m及L分别为第三层第三个空气孔133的直径、其余20个空气孔的直径、D型光子晶体光纤顶部抛光平面及第三层第三个空气孔133中所镀金膜的厚度以及控气孔的晶格周期，即圆形间距。
具体实施时，每层的首个空气孔的圆心位于同一条与水平线夹角为120度的直线上。
具体实施时，第三层的第三个空气孔133的半径范围为：0.50-0.54μm，镀金膜厚度为35-55nm。优选的，第三层的第三个空气孔133的半径为0.52μm，镀金膜厚度为50nm；其余20个空气孔的半径都为0.7μm。
本申请的光纤磁场传感器具有体积小、抗干扰、灵敏度和精度高、耐腐蚀等优点，在磁场的实时和远程传感方面显示出巨大的潜力。此外，D形光子晶体光纤和表面等离子体共振(SPR)的结合可以提高其磁场传感性能和灵敏度，并通过填充温度敏感材料解决温度和磁场的交叉灵敏度问题。所填充的温度敏感材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，具有机械性能好、易加工、吸收损耗低、热光系数和泊松比高等优点。并且随着温度的升高，PDMS的有效折射率值会减小，透射光谱会发生移动，更便于我们对外界温度变化进行测量。
本申请的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器的制造方法如下：
步骤1)为了有利于传感器对外界参数的检测，构建出如图1所示的D型光子晶体光纤的大体结构，D型光子晶体光纤本体由二氧化硅包层和在包层之中的21个空气孔组成。利用仿真软件(例如COMSOL Multiphysics，FDTD Solutions等)选出合适的孔直径和晶格周期(空气孔的圆心间距)以及所镀金膜的厚度。从D型光子晶体光纤本体的底部向上设置4层空气孔。
具体为：从第一层首个空气孔的圆心以间距2μm向右平移，依次形成第一层的4个空气孔；将第一层首个空气孔的圆心向120°方向平移2μm形成第二层首个空气孔；按此方法一次形成第三层和第四层空气孔。前三层空气孔中每层内的相邻两个空气孔的圆心间距为2μm；第四层的第三个空气孔131和第四个空气孔132的圆心间距为4μm；除了第三层第三个空气孔133之外，其余20个空气孔的半径都为0.7μm。
步骤2)中，为了更好的激发表面等离子体共振效应，减少纤芯模式的损耗，对传感器中所镀金膜的厚度进行调整。
具体为：将D型光子晶体光纤顶部抛光平面所镀金膜厚度及第三层第三个空气孔133中所镀金膜厚度设定为35～55nm，以激发表面等离子体共振(SPR)。因为气孔大小会影响传感器的灵敏度，将第三层第三个空气孔133的半径设定为0.50-0.54μm。利用COMSOL仿真软件计算得出最优值镀金膜厚度和第三层第三个空气孔133的直径。
本实施例中，设置温度为25℃，外界磁场变化为0Oe，金膜厚度为50nm，第三层第三个空气孔133半径为0.52μm。通过COMSOL Multiphysics进行计算，得到图2A和图2B分别显示了谐振时芯模和SPP模的电场分布情况。图2A中，在金膜和磁流体的结合处出现SPP模；图2B中在填充PDMS的孔周围可以发现SPP模。
本实施例中，得到如图3A、图3B所示的损耗谱图。对图进行分析，最优选择为D型光子晶体光纤顶部抛光平面所镀金膜厚度及第三层第三个空气孔133中所镀金膜厚度为50nm，第三层第三个空气孔133的半径为0.52μm。
步骤3)中，在第三层第三个空气孔133中填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)，利用其折射率仅随温度发生改变而不受磁场变化的影响，将其作为D型光子晶体光纤侧边平面涂覆磁流体测量磁场变化的参考温度，检测精确的磁场强度。
具体为：在所设计的结构中，保证其他已设定的参数不变，磁场强度也保持不变时，改变温度值由25℃～55℃，测量出两个填充部分的温度和磁场灵敏度值；然后保持其余参数不变，温度值设定在25℃，改变磁场强度值由0Oe～350Oe，测量出两个填充部分的磁场和温度灵敏度。
具体实施时，通过仿真软件对温度灵敏度和磁场灵敏度进行仿真计算，随着温度的升高，PDMS的有效折射率和SPP模式将增加，这使得其共振波长向短波长方向移动，损耗峰值增加，如图4A所示。将温度为25℃～55℃时的共振波长进行拟合，可以得出第三层第三个空气孔133中温度灵敏度为-0.229nm/℃，如图4B所示。因为PDMS的折射率只受温度影响，并不被磁场强度的变化影响，所以其共振波长不会发生移动，即第三层第三个空气孔133磁场灵敏度为0nm/Oe，如图4C、图4D所示。同理可以得到涂覆金膜和磁流体区域的磁场灵敏度为0.14274nm/Oe，温度灵敏度为-0.216nm/℃，如图5A、图5B、图5C、图5D所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，其特征在于，包括：D型光子晶体光纤本体和磁流体层，所述D型光子晶体光纤本体的顶部抛光形成抛光平面，所述抛光平面上镀金膜层，磁流体层涂覆在金膜层上；所述D型光子晶体光纤本体包括二氧化硅包层和21个位于二氧化硅包层中的空气孔；从D型光子晶体光纤本体的底部向上设置4层空气孔；包括4个第一层空气孔、5个第二层空气孔、6个第三层空气孔和6个第四层空气孔；各层内的空气孔的圆心都位于同一直线上；所述第三层第三个空气孔的内壁镀有金膜，内部填充聚二甲基硅氧烷。
2.如权利要求1所述的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，其特征在于，前三层空气孔中每层内的相邻两个空气孔的圆心间距为2μm；第四层第三个空气孔和第四个空气孔的圆心间距为4μm。
3.如权利要求1所述的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，其特征在于，每层的首个空气孔的圆心位于同一条与水平线夹角为120度的直线上。
4.如权利要求1所述的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，其特征在于，第三层第三个空气孔的半径范围为：0.50-0.54μm，镀金膜厚度为35-55nm。
5.如权利要求4所述的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，其特征在于，第三层第三个空气孔半径为0.52μm，镀金膜厚度为50nm；其余20个空气孔的半径都为0.7μm。
6.如权利要求1所述的温度自参考的光子晶体光纤表面等离子体共振磁场传感器，其特征在于，所述抛光平面上镀金膜层的厚度为35-55nm。
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