CN113776723B - 一种基于光耦合变化的光纤气压探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气压探测领域，具体涉及一种基于光耦合变化的光纤气压探测器，槽体和弹性膜围成密闭腔室，在密闭腔室外，第一光纤连接光源，第二光纤连接光探测器。在密闭腔室内，第一光纤在贵金属层上激发表面等离极化激元，表面等离极化激元沿贵金属层传播，传播至第二光纤下侧，第二光纤收集光后，传至光探测器。应用时，将密闭腔室置于待测环境中，待测环境中的气体压迫弹性膜，使得弹性膜向腔内弯曲，改变了贵金属层与第一光纤和第二光纤之间的距离，从而改变了光探测器探测到的光强度。根据光强度变化实现气压探测。本发明设备成本低，在高灵敏气压探测领域具有良好的应用前景。

Description

一种基于光耦合变化的光纤气压探测器

技术领域

本发明涉及气压探测领域，具体涉及一种基于光耦合变化的光纤气压探测器。

背景技术

气体的压强探测在工业和环境检测领域中具有重要的应用。由于光纤的物理性能稳定，基于光纤的气压探测器在过去的几十年中展现出良好的应用潜力。

光纤气压探测装置主要是基于法布里-波罗(FP)干涉腔的：空气腔与外界联通，当气压改变空气腔内的折射率或空气腔的尺寸时，引起光谱漂移，从而实现气压探测。例如，发明专利202110337698.6公开了一种基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，包括单模光纤和石英毛细管光纤；石英毛细管光纤的一端与单模光纤连接，另外一端为密封端；石英毛细管光纤内设有气敏膜，气敏膜与单模光纤之间的石英毛细管光纤的一侧开有气孔，形成FP空气腔；气敏膜与所述密封端之间形成密封腔，通过FP空气腔的腔长和腔内气体折射率对共振波长的影响实现气压探测。

基于FP腔的气压探测装置在使用时需要连续谱光源和光谱仪，因此，整套设备的成本高。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种基于光耦合变化的光纤气压探测器，包括槽体、弹性膜、贵金属层、第一光纤、第二光纤、开口，槽体为长方体的五个面，弹性膜为长方体的第六个面，槽体和弹性膜围成封闭腔室，在密闭腔室内，贵金属层设置在弹性膜上，在弹性膜的相对面上，槽体中设有两个贯穿的孔洞，第一光纤和第二光纤分别贯穿两个孔洞，槽体的侧面上设有开口，在开口上设有阀门。

更进一步地，第一光纤和第二光纤均沿弹性膜的法线方向。

更进一步地，第一光纤和第二光纤与贵金属层表面之间距离小于1微米。

更进一步地，第一光纤和第二光纤为多模光纤。

更进一步地，在密闭腔室内，第一光纤和第二光纤不包括涂覆层。

更进一步地，第一光纤和第二光纤之间的距离小于400微米。

更进一步地，贵金属层为贵金属薄膜。

更进一步地，贵金属薄膜的厚度小于100纳米。

更进一步地，在第二光纤的下侧，贵金属层上设有贵金属颗粒。

更进一步地，贵金属层为贵金属线栅，贵金属线栅的方向垂直于第一光纤和第二光纤的连线方向。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于光耦合变化的光纤气压探测器，包括槽体、弹性膜、贵金属层、第一光纤、第二光纤、开口。本发明中，槽体和弹性膜围成密闭腔室，在密闭腔室外，第一光纤连接光源，第二光纤连接光探测器。在密闭腔室内，第一光纤在贵金属层上激发表面等离极化激元，表面等离极化激元沿贵金属层传播，传播至第二光纤下侧，第二光纤收集光后，传至光探测器。应用时，将密闭腔室置于待测环境中，待测环境中的气体压迫弹性膜，使得弹性膜向腔内弯曲，改变了贵金属层与第一光纤和第二光纤之间的距离，从而改变了光探测器探测到的光强度。根据光强度变化实现气压探测。本发明是基于单波长激光的，不需要连续谱光源和光谱仪，设备成本低，在高灵敏气压探测领域具有良好的应用前景。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是一种基于光耦合变化的光纤气压探测器的示意图。

图2是又一种基于光耦合变化的光纤气压探测器的示意图。

图中：1、槽体；2、弹性膜；3、贵金属层；4、第一光纤；5、第二光纤；6、开口。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

实施例1

本发明提供了一种基于光耦合变化的光纤气压探测器。如图1所示，该基于光耦合变化的光纤气压探测器包括槽体1、弹性膜2、贵金属层3、第一光纤4、第二光纤5、开口6。槽体1为长方体的五个面，弹性膜2为长方体的第六个面，槽体1和弹性膜2围成封闭腔室。也就是说，槽体1和弹性膜2围成形状为长方体的封闭腔室。在实际应用中，封闭腔室的形状不必要为长方体，只要在环境气压的作用下，贵金属层3与第一光纤4或第二光纤5之间的距离改变即可。在本申请中，将封闭腔室设计为长方体，以便于制备。槽体1的材料为刚性材料，例如槽体1的材料为不锈钢。弹性膜2的材料为弹性材料，例如弹性膜2的材料为橡胶。在环境气体压力的作用下，弹性膜2向密闭腔室内弯曲。在密闭腔室内，贵金属层3设置在弹性膜上。具体地，贵金属层3为贵金属薄膜，贵金属薄膜的厚度小于100纳米。贵金属薄膜的材料为金或银。这样一来，贵金属薄膜不仅能够传输表面等离极化激元，而且较少地降低弹性膜2的弹性，能够在较小的气压下，向密闭腔室内产生较大的弯曲。在弹性膜2的相对面上，槽体1中设有两个贯穿的孔洞，第一光纤4和第二光纤5分别贯穿并密封两个孔洞。第一光纤4和第二光纤5均沿弹性膜2的法线方向。这样一来，当弹性膜2向密闭腔室内弯曲时，能够更多地改变第一光纤4和第二光纤5与贵金属薄膜之间的距离，从而提高气压探测的灵敏度。槽体1的侧面上设有开口6，在开口6上设有阀门，以便于通过开口6调节密闭腔室内的气压，进而调节环境气压测量的范围：当环境气压较小时，减小密闭腔室内的气压；当环境气压较大时，增加密闭腔室内的气压。第一光纤4和第二光纤5与贵金属薄膜表面之间距离小于1微米，更进一步地，第一光纤4和第二光纤5余贵金属薄膜之间的距离小于200纳米，以便于第一光纤4在贵金属薄膜上激发较强的表面等离极化激元、第二光纤5能够接收到贵金属薄膜上的表面等离极化激元。第一光纤4和第二光纤5可以为单模光纤，也可以为多模光纤。优选地，第一光纤4和第二光纤5为多模光纤。多模光纤具有较粗的纤芯，以便于第一光纤4激发较强的表面等离极化激元、第二光纤5收集更多的表面等离极化激元能量，降低信号探测的难度。

本发明中，槽体1和弹性膜2围成密闭腔室，在密闭腔室外，第一光纤4连接光源，光源产生单波长激光；第二光纤5连接光探测器，光探测器探测第二光纤5中的光强度。在密闭腔室内，第一光纤4在贵金属层3上通过近场耦合激发表面等离极化激元，表面等离极化激元沿贵金属薄膜传播，传播至第二光纤5下侧，耦合进入第二光纤5，第二光纤5收集光后，传至光探测器。应用时，将密闭腔室置于待测环境中，待测环境中的气体压迫弹性膜2，使得弹性膜2向腔内弯曲，改变了贵金属层3与第一光纤4和第二光纤5之间的距离，从而改变了光探测器探测到的光强度。根据光强度变化实现气压探测。本发明是基于单波长激光的，不需要连续谱光源和光谱仪，设备成本低，在高灵敏气压探测领域具有良好的应用前景。

在本实施例中，为使得弹性膜2的形变更多地改变贵金属薄膜与第一光纤4、第二光纤5之间的距离，优选地将第一光纤4和第二光纤5设置在弹性膜2的中部区域。

在本发明中，当弹性膜2形变时，不仅改变了贵金属薄膜与第一光纤4的距离，而且改变了贵金属薄膜与第二光纤5之间的距离。也就是说，不仅改变了信号激发端的距离，而且改变了信号收集端的距离。由于表面等离激元的近场激发和收集对上述两个距离非常敏感，所以本发明具有气压探测灵敏度高的优点。

另外，在本发明中，常规电子束蒸发方法即可制备贵金属层3，第一光纤4和第二光纤5的设置也属于简单技术。因此，本发明还具有制作容易，成本低的优点。

实施例2

在实施例1的基础上，在密闭腔室内，第一光纤4和第二光纤5不包括涂覆层。这样一来，第一光纤4和第二光纤5之间的距离可以设置的更近。更进一步地，在密闭腔室内，第一光纤4和第二光纤5粘结在一起。这样一来，第一光纤4和第二光纤5之间的距离更小，并且两者之间的距离为固定值，减少了器件振动对探测结果的影响。第一光纤4和第二光纤5之间的距离小于400微米。也就是说，第一光纤4的纤芯与第二光纤5的纤芯之间的距离小于400纳米，以便于有更强的表面等离极化激元能量被第二光纤5收集，从而降低了光探测的难度。

实施例3

在实施例1或2的基础上，如图2所示，在第二光纤5的下侧，贵金属层3上设有贵金属颗粒7。贵金属颗粒7的材料为金或银。贵金属颗粒7的形状为球形、立方体形或长方体形，在此不作限制。这样一来，当表面等离极化激元传播至第二光纤5下侧时，容易被贵金属颗粒7散射，从而使得第二光纤5收集到更强的光，降低了光探测的难度。贵金属颗粒7的尺寸大于20纳米、小于100纳米，以便于对可见光具有较强的散射能力。贵金属颗粒7的个数为多个，多个贵金属颗粒7置于第二光纤5的纤芯下侧，以便于贵金属颗粒7的散射光被第二光纤5接收。

实施例4

在实施例2的基础上，贵金属层3为贵金属线栅，贵金属线栅的方向垂直于第一光纤4和第二光纤5的连线方向。第一光纤4在贵金属线栅上激发沿垂直于贵金属线栅方向传播的表面电磁波，这些表面电磁波传播至第二光纤5下侧，被第二光纤5接收。在本实施例中，将贵金属线栅替换贵金属薄膜，由于贵金属线栅为平行的条，减少了贵金属层3对弹性膜2弹性的影响：在相同气压下，设有贵金属线栅的弹性膜2能够产生更多的形变，从而更多地改变第二光纤5所接收到的光能量。另外，当弹性膜2形变时，还改变了贵金属线栅的周期，从而改变了贵金属线栅的表面电磁波传播特性。这两方面的效果均改变了光探测器收集到的光能量，所以本实施例具有更高的气压探测灵敏度。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光耦合变化的光纤气压探测器，其特征在于，包括槽体、弹性膜、贵金属层、第一光纤、第二光纤、开口，所述槽体为长方体的五个面，所述弹性膜为长方体的第六个面，所述槽体和所述弹性膜围成封闭腔室，在密闭腔室内，所述贵金属层设置在所述弹性膜上，在所述弹性膜的相对面上，所述槽体中设有两个贯穿的孔洞，所述第一光纤和所述第二光纤分别贯穿两个孔洞，所述槽体的侧面上设有开口，在开口上设有阀门；所述第一光纤和所述第二光纤均沿所述弹性膜的法线方向；在密闭腔室外，第一光纤连接光源，光源产生单波长激光；第二光纤连接光探测器，光探测器探测第二光纤中的光强度；应用时，将密闭腔室置于待测环境中，待测环境中的气体压迫弹性膜，使得弹性膜向腔内弯曲，改变了贵金属层与第一光纤和第二光纤之间的距离，从而改变了光探测器探测到的光强度。

2.如权利要求1所述的基于光耦合变化的光纤气压探测器，其特征在于：所述第一光纤和所述第二光纤与贵金属层表面之间距离小于1微米。

3.如权利要求1所述的基于光耦合变化的光纤气压探测器，其特征在于：所述第一光纤和所述第二光纤为多模光纤。

4.如权利要求1所述的基于光耦合变化的光纤气压探测器，其特征在于：在所述密闭腔室内，所述第一光纤和所述第二光纤不包括涂覆层。

5.如权利要求4所述的基于光耦合变化的光纤气压探测器，其特征在于：所述第一光纤和所述第二光纤之间的距离小于400微米。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于光耦合变化的光纤气压探测器，其特征在于：所述贵金属层为贵金属薄膜。

7.如权利要求6所述的基于光耦合变化的光纤气压探测器，其特征在于：所述贵金属薄膜的厚度小于100纳米。

8.如权利要求7所述的基于光耦合变化的光纤气压探测器，其特征在于：在所述第二光纤的下侧，所述贵金属层上设有贵金属颗粒。

9.如权利要求6所述的基于光耦合变化的光纤气压探测器，其特征在于：所述贵金属层为贵金属线栅，所述贵金属线栅的方向垂直于所述第一光纤和所述第二光纤的连线方向。