CN113483793A - 一种基于双偏振d型光子晶体光纤双参量spr传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于双偏振D型光子晶体光纤双参量SPR传感器。所述传感器具有顶部侧抛平面和底部n型微通道，在侧抛平面上方和n型微通道顶部弧形内壁上均涂覆有金膜和TiO2层。本发明利用偏振控制器来控制产生X偏振或Y偏振，Y偏振与侧抛平面上的金膜产生SPR可检测待测介质折射率，X偏振与n型微通道顶部弧形内壁上的金膜产生SPR可检测磁场强度，从而实现双偏振检测双参量。本发明的优点是：双偏振检测减少各参量间影响，增大各参量检测范围；n型微通道减少磁流体到待测介质距离，增大磁流体体积，提升磁场强度检测灵敏度；TiO2层提升传感器检测灵敏度。该传感器设计新颖，检测范围宽，灵敏度高，抗干扰性强，具有良好传感特性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感领域，特别是一种基于双偏振D型光子晶体光纤双参量SPR传感器。
背景技术
近年来，光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)作为一种新型光纤被广泛应用于各种传感领域。光子晶体光纤在光学领域显示出了自己的优势，特别是通过操纵其结构参数来控制其光学特性的能力。基于PCF-SPR的传感器由于其简单紧凑的探头设计具有高灵敏度、鲁棒性、成本效益、快速响应、无标签检测等优点而得到广泛的研究。更重要的是，可以通过优化PCF的结构参数来提高灵敏度和传感范围。
随着光纤SPR传感和磁流体(Magnetic Fluid,MF)技术的发展，诸多学者开始研究采用光纤SPR传感技术和MF填充方式实现磁场传感。2019年，Liu等人提出一种基于表面等离振子共振的双芯光子晶体光纤同时测量磁场和温度，通过双参数解调方法，磁场灵敏度和温度灵敏度分别可以达到0.44nm/mT和-0.37nm/℃；2019年，Li等人提出基于SPR和PCF的磁场和温度双参量光纤传感器，此传感器实现磁场灵敏度为0.08269nm/Oe、温度灵敏度为-0.4936nm/℃的双参量传感；2020年，Wang等人提出一种新型光子晶体光纤结构设计及磁场传感特性研究，在0～78Oe磁场范围内，灵敏度达95pm/Oe。
为克服传统光纤传感器单一测量的不足，同时克服单一偏振测量多参量之间相互的影响，本发明提出了一种利用双偏振测量机制，实现了磁场强度和折射率双参量测量的D型SPR传感器。该传感器设计新颖，检测范围宽，灵敏度高，抗干扰能力强，具有良好传感特性，在未来实现光电子集成器件及多功能传感检测领域具有重要的应用前景，是一种实用的光纤SPR传感器发明内容。
发明内容
本发明提供一种基于双偏振D型光子晶体光纤双参量SPR传感器，其构简单，便于制作。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种基于双偏振D型光子晶体光纤双参量SPR传感器，如图1所示，其特征在于：所述光纤传感器本体由光子晶体光纤(1)、纤芯(2)、金膜(3)、TiO2层(4)、磁流体Fe3O4(5)、待测介质(6)、空气孔(7)和完美匹配层(8)组成。
通过抛磨的方法在光纤顶部磨出侧抛平面，在底部磨出n型微通道，并在侧抛平面上和n型微通道顶部弧形内壁上涂覆TiO2层(4)和金膜(3)。
所述空气孔(7)共38个，按正六边形叠加四层排布，其中最内层、次内层、次外层和最外层空气孔个数分别为6个、8个、10个和14个，最内层是完整正六边形，其它层均为部分正六边形，次内层底部的两个空气孔直径d2＝0.96um，其余空气孔直径d1＝1.2um，空气孔之间距离Λ＝2.5um。
在n型微通道中填充磁流体Fe3O4(5)，其由水和Fe3O4混合而成，混合体积比为3％，在本专利所述传感器中，磁流体Fe3O4(5)检测磁场强度范围为0Oe～800Oe。
所述待测介质(6)在侧抛平面金膜(3)上方，待测介质(6)的折射率分析范围为1.34～1.47，待测介质(6)上方为空气。
所述光子晶体光纤(1)的光信号输入端通过单模光纤与偏振控制器相连接，偏振控制器可控制产生X偏振或Y偏振，Y偏振与侧抛平面上的金膜(3)产生SPR可检测待测介质折射率，X偏振与n型微通道顶部弧形内壁上的金膜(3)产生SPR可检测磁场强度，从而实现双偏振检测双参量。
与现有技术相比，本发明的优点：
1、本发明通过偏振控制器来实现双偏振，从而实现SPR传感器利用不同偏振测量不同参量，这样可以减少参量与参量之间的相互影响，使得双参量的检测范围和灵敏度都有所提升。
2、本发明利用双偏振中的X偏振来测量磁场强度，在本专利所述传感器中，磁光介质Fe3O4的磁场强度检测范围为H＝0Oe～800Oe，远高于同类光纤传感器，在该范围内磁场强度的平均灵敏度为152.4pm/Oe。
3、本发明利用双偏振中的Y偏振来检测待介质的折射率，能实现折射率传感区间为1.34～1.47的宽检测范围传感，远高于传统传感器，在该范围内折射率的平均灵敏度为3393.4nm/RIU。
4、本发明通过有限元法(FEM，Finite Element Method)从理论仿真上实现了基于双偏振D型光子晶体光纤双参量SPR传感器的传感要求。
附图说明
图1为本发明的截面示意图。
图2为本发明提供的实验检测系统装置示意图。
图3为本发明在不同磁场强度下(H＝0Oe～800Oe)的损耗谱曲线图。
图4为本发明在磁场强度变化时共振波长拟合曲线图。
图5为本发明在不同外界折射率时(n＝1.34～1.47)的损耗谱曲线图。
图6为本发明在折射率变化时共振波长拟合直线图。
图中标号为：1、光子晶体光纤，2、纤芯，3、金膜，4、TiO2层，5、磁流体Fe3O4，6、待测介质，7、空气孔，8、完美匹配层。
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明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
如图1所示，本发明提供一种基于双偏振D型光子晶体光纤双参量SPR传感器，其由光子晶体光纤(1)、纤芯(2)、金膜(3)、TiO2层(4)、磁流体Fe3O4(5)、待测介质(6)、空气孔(7)和完美匹配层(8)组成；通过抛磨的方法在纤芯(2)顶部磨出侧抛平面，在底部磨出n型微通道，并在侧抛平面上和n型微通道顶部弧形内壁上先涂覆一层厚度h3＝10nm的TiO2层(4)，然后在TiO2层(4)上涂覆一层厚度h2＝45nm的金膜(3)。
所述纤芯(2)和光纤基底的材料为熔融二氧化硅，其折射率可根据Sellmeier方程算出。
所述空气孔(7)共38个，按正六边形叠加四层排布，其中最内层、次内层、次外层和最外层空气孔个数分别为6个、8个、10个和14个，最内层是完整正六边形，其它层均为部分正六边形，次内层底部的两个空气孔直径d2＝0.96um，其余空气孔直径均d1＝1.2um，空气孔之间距离Λ＝2.5um。
n型微通道深度h4＝7.2um，宽度w1＝2.2um，在n型微通道中填充磁流体Fe3O4(5)，其由水和Fe3O4混合而成，混合体积比为3％，在本发明中，其检测磁场强度范围为0Oe～800Oe。
所述待测介质(6)在侧抛平面金膜(3)的上方，其厚度为h1＝1um，待测介质的折射率分析范围为1.34～1.47，待测介质(6)上方为空气。
所述光子晶体光纤(1)的光信号输入端通过单模光纤与偏振控制器相连接，偏振控制器可控制产生X偏振或Y偏振，Y偏振与侧抛平面上的金膜(3)产生SPR可检测待测介质折射率，X偏振与n型微通道顶部弧形内壁上的金膜(3)产生SPR可检测磁场强度，从而实现双偏振检测双参量。
如图2所示，光源产生光信号，光信号通过偏振器和偏振控制器从而产生X偏振或Y偏振，偏振光从单模光纤进入传感光纤实现检测，然后将检测信息通过单模光纤传给光谱分析仪来检测波长偏移，最后将信息利用电子计算机进行分析处理，以损耗谱来表示波长偏移。
如图3所示，X偏振与n型微通道顶部弧形内壁上的金膜产生SPR可检测磁场强度，在不同磁场强度下，记录传感器的损耗随波长变化的曲线图，可以发现，随着磁场强度的增大，吸收峰发生红移。由于待测介质的折射率是通过Y偏振来检测，所以待测介质折射率的变化并不会影响磁场强度的检测。
如图4所示，当磁场强度从0Oe变换到100Oe、200Oe、300Oe、400Oe、500Oe、600Oe、700Oe和800Oe时，损耗峰偏移量为10nm、10nm、20nm、10nm、10nm、20nm、20nm和30nm。灵敏度为100pm/Oe、100pm/Oe、200pm/Oe、100pm/Oe、100pm/Oe、200pm/Oe、200pm/Oe和300pm/Oe，曲线拟合公式：y＝c+bx+ax2，y为共振波长，x为磁场强度，a＝0.07621±0.02015，b＝9.84848×10-5±2.42289×10-5，c＝1701.63636±3.45605，调整后R2＝0.9902，平均灵敏度为152.4pm/Oe，最大灵敏度为300pm/Oe。
如图5所示，Y偏振与侧抛平面上的金膜产生SPR可检测待测介质折射率，在不同折射率下，记录传感器的损耗随波长变化的曲线图，可以发现，随着折射率的增大，吸收峰发生红移。由于磁场强度是通过X偏振来检测，所以磁场强度的变化并不会影响折射率的检测。
如图6所示，当待测介质折射率从1.34变换到1.35、1.36、1.37、1.38、1.39、1.40、1.41、1.42、1.43、1.44、1.45、1.46和1.47时，损耗峰偏移量为20nm、20nm、20nm、30nm、30nm、30nm、40nm、30nm、50nm、40nm、40nm、40nm和40nm。灵敏度为2000nm/RIU、2000nm/RIU、2000nm/RIU、3000nm/RIU、3000nm/RIU、3000nm/RIU、4000nm/RIU、3000nm/RIU、5000nm/RIU、4000nm/RIU、4000nm/RIU、4000nm/RIU和4000nm/RIU，直线拟合公式：y＝b+ax，y为共振波长，x为待测介质折射率，a＝3393.40659±117.98739，b＝-3939.16484±165.8405，调整后R2＝0.9845，平均灵敏度为3393.4nm/RIU，最大灵敏度为5000nm/RIU。
本发明所述的传感器利用双偏振来分别测量磁场强度和折射率，从而实现双参量、宽检测范围、高灵敏度、高检测精度、小型化的D型光纤传感器。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种基于双偏振D型光子晶体光纤双参量SPR传感器，如图1所示，其特征在于：所述光纤传感器本体由光子晶体光纤(1)、纤芯(2)、金膜(3)、TiO2层(4)、磁流体Fe3O4(5)、待测介质(6)、空气孔(7)和完美匹配层(8)组成；通过抛磨的方法在光纤顶部抛磨出侧抛平面，在光纤底部抛磨出n型微通道，并在侧抛平面上和n型微通道顶部弧形内壁上先涂覆一层厚度h3＝10nm的TiO2层(4)，然后在TiO2层(4)上涂覆一层厚度h2＝45nm的金膜(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于双偏振D型光子晶体光纤双参量SPR传感器，其特征在于：所述光子晶体光纤(1)的光信号输入端通过单模光纤与偏振控制器相连接，偏振控制器可控制产生X偏振或Y偏振，Y偏振与侧抛平面上的金膜(3)产生SPR可检测待测介质折射率，X偏振与n型微通道顶部弧形内壁上的金膜(3)产生SPR可检测磁场强度，且X偏振与Y偏振发生共振的波段并不相同，从而实现双偏振检测双参量。
3.根据权利要求1所述的一种基于双偏振D型光子晶体光纤双参量SPR传感器，其特征在于：所述空气孔(7)共38个，按正六边形叠加四层排布，其中最内层、次内层、次外层和最外层空气孔个数分别为6个、8个、10个和14个，最内层是完整正六边形，其它层均为部分正六边形，次内层底部的两个空气孔直径d2＝0.96um，其余空气孔直径d1＝1.2um，空气孔之间距离Λ＝2.5um。
4.根据权利要求1所述的一种基于双偏振D型光子晶体光纤双参量SPR传感器，其特征在于：n型微通道深度h4＝7.2um，宽度w1＝2.2um，在n型微通道中填充磁流体Fe3O4(5)，其由水和Fe3O4混合而成，混合体积比为3％，在本专利所述传感器中，其检测磁场强度范围为0Oe～800Oe。
5.根据权利要求1所述的一种基于双偏振D型光子晶体光纤双参量SPR传感器，其特征在于：所述待测介质(6)在侧抛平面金膜(3)上方，其厚度h1＝1um，待测介质的折射率分析范围为1.34～1.47，待测介质(6)上方为空气。
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| CN114112173A (zh) * | 2021-11-16 | 2022-03-01 | 西南科技大学 | 一种光子晶体光纤压力传感器及其测量方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20211008 |
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