CN113865773B - 一种高灵敏光纤表面等离激元气压探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气压探测领域，具体涉及一种高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，包括槽体、弹性膜、第一光纤、第二光纤、贵金属部、开口。在本发明中，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，光从第一光纤的端面出射，耦合到贵金属部上，在贵金属部上形成表面等离激元，该表面等离激元又耦合进入第二光纤，再被光探测器接收。应用时，将密闭腔室置于待测环境中，根据光强度的变化实现环境气压探测。在本发明中，光源为单波长光源，不需要连续谱光源，也不需要光谱仪，只测量光强度即可，设备的成本低，在高灵敏气压探测领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及气压探测领域，具体涉及一种高灵敏光纤表面等离激元气压探测器。
背景技术
气压传感器广泛应用于供水、热力、石油、化工、冶金等工业过程现场测量和控制。传统气压传感器是把带隔离的硅压阻式压力敏感元件封装于不锈钢壳体内制作而成。传统基于电阻变化的气压传感器的探测灵敏度低，不能满足高技术需要。基于光学原理的气压传感器往往具有更高的灵敏度。由于基于光纤的光路简单，近年来，基于光纤的气压传感器逐渐受到越来越多的重视，研究者设计了多种基于光纤光栅的气压传感器。例如，发明专利201610275143.2公开了一种光纤光栅气压传感器：当外界气压发生变化时，铍青铜膜片产生挠度变化导致光纤光栅产生轴向作用力，从而影响光纤光栅中心波长变化来测量外界气压的变化。基于光纤光栅的气压传感器或气压探测器需要配置连续谱光源和光谱仪，整套装置的成本高。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，包括：槽体、弹性膜、第一光纤、第二光纤、贵金属部、开口；槽体为长方体的五个面，弹性膜为长方体的第六个面，槽体和弹性膜围成密闭腔室，第一光纤和第二光纤贯穿槽体；在密闭腔室内，第一光纤和第二光纤贴附在弹性膜上；第一光纤的端面和第二光纤的端面之间设有间隙，贵金属部设置在间隙内；槽体的顶面上设有开口。
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为单模光纤。
更进一步地，第一光纤的端面与第二光纤的端面之间的距离小于10微米。
更进一步地，贵金属部为贵金属薄膜。
更进一步地，贵金属薄膜的厚度小于第一光纤和第二光纤的纤芯至弹性膜表面的距离。
更进一步地，贵金属部为贵金属块。
更进一步地，贵金属块的厚度小于第一光纤和第二光纤的纤芯至弹性膜表面的距离。
更进一步地，贵金属块与第一光纤的距离小于100纳米。
更进一步地，贵金属块与第二光纤的距离小于100纳米。
本发明的有益效果：本发明提供了一种高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，包括槽体、弹性膜、第一光纤、第二光纤、贵金属部、开口。在本发明中，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，光从第一光纤的端面出射，耦合到贵金属部上，在贵金属部上形成表面等离激元，该表面等离激元又耦合进入第二光纤，再被光探测器接收。应用时，将密闭腔室置于待测环境中，光源和光探测器不必要置于待测环境中，环境中的气体运动对弹性膜造成压力，使得弹性膜向密闭腔室内弯曲，从而改变了贵金属部相对于第一光纤端面和第二光纤端面的位置，或改变了贵金属部的形状，从而改变了光探测器接收到的光强度。根据光强度的变化实现环境气压探测。在本发明中，光源为单波长光源，不需要连续谱光源，也不需要光谱仪，只测量光强度即可，设备的成本低，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是一种高灵敏光纤表面等离激元气压探测器的示意图。
图2是又一种高灵敏光纤表面等离激元气压探测器的示意图。
图中：1、槽体；2、弹性膜；3、第一光纤；4、第二光纤；5、贵金属部；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
本发明提供了一种高灵敏光纤表面等离激元气压探测器。如图1所示，该高灵敏光纤表面等离激元气压探测器包括槽体1、弹性膜2、第一光纤3、第二光纤4、贵金属部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围成密闭腔室。槽体1的材料为刚材料。优选地，槽体1的材料为不锈钢材料。弹性膜2的材料为弹性材料。优选地，弹性膜2的材料为橡胶。在本发明中，弹性膜2的材料不必要为透明弹性材料。在环境气体压力的作用下，弹性膜2能想密闭腔室内弯曲即可。密闭腔室内的气压可以与外界气压相同，也可以与外界气压不同，这需要根据待测环境压力的大概范围确定。第一光纤3和第二光纤4贯穿槽体1。如图1所示，第一光纤3为水平方向，第二光纤4也为水平方向。也就是说，槽体1的侧面、靠近弹性膜2处设有通孔，第一光纤3和第二光纤4贯穿通孔。在图1中，弹性膜2的法线为竖直方向。在密闭腔室内，第一光纤3和第二光纤4贴附在弹性膜2上，更进一步地，第一光纤3和第二光纤4粘附在弹性膜2上。在密闭腔室内，第一光纤3的端面和第二光纤4的端面之间设有间隙，贵金属部5设置在间隙内。贵金属部5的材料为金或银。槽体1的顶面上设有开口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。
在本发明中，槽体1和弹性膜2围成密闭腔室。在密闭腔室外，第一光纤3连接光源，第二光纤4连接光探测器。在密闭腔室内，光从第一光纤3的端面出射，耦合到贵金属部5上，在贵金属部5上形成表面等离激元，该表面等离激元又耦合进入第二光纤4，再被光探测器接收。应用时，将密闭腔室置于待测环境中，光源和光探测器不必要置于待测环境中，环境中的气体运动对弹性膜2造成压力，使得弹性膜2向密闭腔室内弯曲，从而改变了贵金属部5相对于第一光纤3端面和第二光纤4端面的位置，或改变了贵金属部5的形状，从而改变了光探测器接收到的光强度。根据光强度的变化实现环境气压探测。在本发明中，光源为单波长光源，不需要连续谱光源，也不需要光谱仪，只测量光强度即可，设备的成本低，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部5的形状或贵金属部5相对于第一光纤3、第二光纤4的位置，优选地将间隙设置在在弹性膜2的中部区域。
在本发明中，当弹性膜2向内弯曲时，不仅改变了贵金属部5的形状，而且改变了贵金属部5相对于第一光纤3、第二光纤4的位置。当弹性膜2弯曲时，对贵金属部5而言，不仅改变了其激发情况，而且改变了其上的表面等离激元与第二光纤4的耦合情况，还改变了贵金属部5上的表面等离激元。因此，本发明具有气压探测灵敏度高的优点。
在本实施例中，在密闭腔室内，第一光纤3和第二光纤4不包括涂覆层。第一光纤3和第二光纤4全同。在密闭腔室内，第一光纤3和第二光纤4仅包括纤芯和包层。第一光纤3和第二光纤4为单模光纤。单模光纤的纤芯较细，第一光纤3和第二光纤4又不包括涂覆层。这样一来，第一光纤3和第二光纤4的纤芯距离弹性膜2表面的距离小，从而不要求厚的贵金属部5，以免对弹性膜2的弹性改变更多，提高气压探测的灵敏度。
实施例2
在实施例1的基础上，第一光纤3的端面与第二光纤4的端面之间的距离小于10微米、大于2微米，贵金属部5为贵金属薄膜，以便于在贵金属部5激发表面等离极化激元，表面等离极化激元沿着贵金属薄膜表面传播。贵金属薄膜的厚度小于第一光纤3和第二光纤4的纤芯至弹性膜2表面的距离，这样一来，第一光纤3和第二光纤4的纤芯与贵金属薄膜的距离近，以便于在贵金属薄膜上激发更强的表面等离极化激元，便于光探测器探测。更优地，在间隙中间、弹性膜2上设有弹性材料，在弹性材料上再设有贵金属薄膜。这样一来，贵金属薄膜更薄，以便于当弹性膜2弯曲时，贵金属薄膜能够产生更高的凸起，从而更多地改变光探测器所探测的光强度，从而实现更高灵敏度的气压探测。当在间隙中间、弹性膜2上设置弹性材料时，贵金属薄膜的厚度大于100纳米即可，弹性材料的厚度加上贵金属薄膜的厚度约等于纤芯至弹性膜2表面的距离。更进一步地，此时，贵金属薄膜的厚度大于50纳米、小于100纳米，此时不必严格控制贵金属薄膜的高度，只要贵金属薄膜在纤芯的高度范围内即可，因为表面等离极化激元即可沿着贵金属薄膜的上表面传播，也可以沿着贵金属薄膜的下表面传播，两者均可传输至第二光纤4。
实施例3
在实施例1的基础上，如图2所示，贵金属部5为贵金属块。贵金属块的厚度小于第一光纤3和第二光纤4的纤芯至弹性膜2表面的距离。贵金属块的宽度，也就是垂直于第一光纤3和第二光纤4连线方向的尺寸，小于3微米或与纤芯的尺寸相当。贵金属块的长度，也就是在第一光纤3和第二光纤4连线方向的尺寸，小于1微米，更优地，贵金属块的长度小于500纳米。贵金属块与第一光纤3的距离小于100纳米。贵金属块与第二光纤4的距离小于100纳米。这样一来，第一光纤3端面、贵金属块、第二光纤4端面三者之间形成局域近场耦合，通过贵金属块耦合进入第二光纤4的光严重地依赖于三者之间的位置，特别是贵金属块相对于第一光纤3纤芯和第二光纤4纤芯的高度。因此，本实施具有气体压强探测更灵敏的优点。
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 (10)
1.一种高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，其特征在于，包括：槽体、弹性膜、第一光纤、第二光纤、贵金属部、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密闭腔室，所述第一光纤和所述第二光纤贯穿所述槽体；在所述密闭腔室内，所述第一光纤和所述第二光纤贴附在所述弹性膜上；所述第一光纤的端面和所述第二光纤的端面之间设有间隙，所述贵金属部设置在所述间隙内；所述槽体的顶面上设有开口。
2.如权利要求1所述的高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，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。
3.如权利要求1所述的高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，其特征在于：所述第一光纤和所述第二光纤为单模光纤。
4.如权利要求1所述的高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，其特征在于：所述第一光纤的端面与所述第二光纤的端面之间的距离小于10微米。
5.如权利要求1-4任一项所述的高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，其特征在于：所述贵金属部为贵金属薄膜。
6.如权利要求5所述的高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，其特征在于：所述贵金属薄膜的厚度小于所述第一光纤和所述第二光纤的纤芯至所述弹性膜表面的距离。
7.如权利要求1-4任一项所述的高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，其特征在于：所述贵金属部为贵金属块。
8.如权利要求7所述的高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，其特征在于：所述贵金属块的厚度小于所述第一光纤和所述第二光纤的纤芯至所述弹性膜表面的距离。
9.如权利要求8所述的高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，其特征在于：所述贵金属块与所述第一光纤的距离小于100纳米。
10.如权利要求9所述的高灵敏光纤表面等离激元气压探测器，其特征在于：所述贵金属块与所述第二光纤的距离小于100纳米。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113865773A (zh) | 2021-12-31 |
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