CN209485986U - 一种多参数测量的光纤lmr传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多参数测量的光纤LMR传感器，该传感器采用LMR效应原理可以产生两个共振峰，可同时作为温度和折射率的确定。当温度或折射率发生变化时，共振波长均可发生变化，即可确定折射率和温度的值；同时LMR在p偏振光和s偏振光下均可发生共振，并且其灵敏度与精度较传统传感器大幅提高；通过LMR效应可在可见光区发生。另外甲苯有大的热光效应，可以通过改变外部温度来改变甲苯折射率。且甲苯折射率大，光导机制可以从光子带隙(PBG)变为全内反射(TIR)。同时TiO2、SnO2是易于获得且具有成本效益的材料，二者均可以很好地激发LMR效应，在可见光谱范围内产生LMR，使其成为低成本LMR器件的理想选择。
Description
技术领域
本实用新型涉及光传感技术领域，尤其涉及一种多参数测量的光纤LMR传感器。
背景技术
Lossy Mode Resonance(LMR)中文名称为损失模式共振。倏逝波与导电金属氧化物内的损失模式之间相互耦合产生的共振，它可以由TE或TM偏振光激发。这种共振会导致光波导中传输的光的强度急剧降低，从而形成共振波谷。LMR效应对外界折射率很敏感，当外界折射率变化时，LMR的共振波谷也会产生相应变化，反映出外界物质的折射率变化，因此，可以通过折射率换算得到待测量。光纤传感器具有传统传感器所不可比的优点：灵敏度高、动态范围大、响应速度快、不受电磁干扰、防爆防燃、易于远距离遥测、保密性好、重量轻、机械强度高等。现有技术中许多新型结构传感器灵敏度甚至达到了10000nm/RIU，但是都是只能测量单一化学量，当涉及多种生物化学量测量时非常不便。因此需要提出一种新型的能结合单一测量传感器优势的高灵敏度多测量型传感器。
实用新型内容
根据现有技术存在的问题，本实用新型公开了一种多参数测量的光纤LMR传感器，具体结构包括纤芯，所述纤芯的外表面设置有包层，所述包层上沿纤芯的延伸方向设置有多个空气孔，所述相邻两个空气孔之间设置有空气孔内壁，所述纤芯的表面与空气孔之间的露芯部分涂敷有TiO2薄膜层，所述空气孔的内表面涂敷有SnO2薄膜层，所述空气孔内设置有热敏材料。
该传感器的上端具有缺口，该缺口为上W型。
所述相邻两个空气孔之间的空气孔内壁的距离为1μm-2μm。
所述纤芯的直径为10μm-15μm。
所述的光纤传感器的光纤直径为120-130μm。
所述SnO2薄膜层的厚度为50-100nm。
该光纤LMR传感器W型露芯部分的TiO2薄膜层厚度为25-100nm。
所述热敏材料为甲苯。
由于采用了上述技术方案，本实用新型提供的一种多参数测量的光纤LMR传感器，该传感器采用LMR效应原理可以产生两个共振峰，可同时作为温度和折射率的确定。当温度或折射率发生变化时，共振波长均可发生变化，即可确定折射率和温度的值；同时LMR在p偏振光和s偏振光下均可发生共振，并且其灵敏度与精度较传统传感器大幅提高；通过LMR效应可在可见光区发生。另外甲苯有大的热光效应，可以通过改变外部温度来改变甲苯折射率。且甲苯折射率大，光导机制可以从光子带隙(PBG)变为全内反射(TIR)。同时TiO2、SnO2是易于获得且具有成本效益的材料，二者均可以很好地激发LMR效应，在可见光谱范围内产生LMR，使其成为低成本LMR器件的理想选择。基于上述理由本实用新型专利解决了同时测得两个物理量的问题，并且灵敏度较高，可在微结构光纤等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型专利实施例一中新型W型双测量光纤传感器的截面结构示意图；
图2为本实用新型专利实施例一中W型双测量光纤传感器不同温度，折射率下损耗值
图3为本实用新型专利实施例一中的W型双测量光纤传感器的检测系统图图4为本实用新型专利实施例一中的W型双测量光纤传感器峰值波长随温度升高的线性拟合曲线
图中：1、纤芯，2、包层，3、SnO2薄膜层，4、TiO2薄膜层，5、空气孔内壁，6、空气孔，A、W型双测量光纤传感器，B、宽带光源，C、光谱仪，D、多模光纤光路，E、进样口，F、出样口，G、计算机，H、玻璃管，I、支架。
具体实施方式
为使本实用新型的技术方案和优点更＝-加清楚，下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种多参数测量的光纤LMR传感器，该传感器基于一种新型D型传感器，所述W型LMR微结构光纤外直径为125μm，材料为熔融石英，采用纤芯1包层结构，包括完整的纤芯1、扇形外包层2及刨除两个空气口后设置于纤芯1和包层2之间的4个均匀分布的完全相同的横截面为扇形的空气孔6，纤芯1的直径d为15μm，相邻空气孔内壁的厚度c为2μm。W型刨面TiO2薄膜层，该薄膜层的厚度为100nm。其余空气孔在内表面镀SnO2薄膜层，厚度为50nm。之后在镀膜空气孔6中注入甲苯。
甲苯由于有大的热光效应可作为传感介质，更容易感知环境温度的变化，且注入多个空气孔，共振强度也随之增加，表现出更高的约束损失，更容易激发倏逝场，激发损失模式共振效应，灵敏度更高。可将光纤探头直接放入待测溶液中。测试其双测量的作用研究实验如下：
多参数测量的光纤LMR传感器的制备方法，以外直径为125μm、材料为熔融石英的LMR微结构光纤为原料。包括完整的纤芯1、扇形外包层2及刨除两个空气口后设置于纤芯1和包层2之间的4个均匀分布的完全相同的横截面为扇形的空气孔，纤芯1的直径d为15μm，相邻空气孔内壁厚度c为2μm。采用飞秒激光器去除两个空气孔，形成W型结构。用磁控溅射法在W型露芯表面镀一层TiO2膜。利用湿化学沉积技术，通过调整沉积时间，溶液流速等，可以精确控制涂在目标气孔中的SnO2膜厚度。填充到空气孔中的甲苯可以以相同的方式实现。
我们利用有限元法(FEM)研究了设计传感器中的电磁场分布。边界条件设置为完美匹配层，只吸收能量，不反射能量。样品折射率分别为1.33、1.34。温度分别20℃，40℃.60℃。W型微结构纤维的材料是熔融石英，分散特性由温度依赖的Sellmeier方程确定，计算忽略了甲苯的分散特性。
λ是以微米为单位的真空中的波长，T是以℃为单位。当在特定波长处满足相位匹配时，核心模式中的能量转移到TiO2膜中的有损模式，从而在该波长处观察到共振峰。分析物折射率的变化将导致核心模式和有损模式之间的相位匹配条件的变化，产生不同的损耗谱。因此，通过测量有损峰值波长的偏移，可以有效地检测分析物折射率的变化。作为参考，光纤传感器的限制损耗定义为：
αloss(dB/m)＝8.686×k0lm[neff]
式中：αloss是光纤传感器的限制损耗，k0＝2π/λ是波数，Im(neff)是模式有效指数的虚部。再通过上述2个公式的数值计算，得出在折射率n1＝1.33处，T＝20℃不同波长条件下对应的虚部数值。
传感器的灵敏度可以表示为共振波谷的偏移Δλp与待测样品折射率的改变Δna的比值，即
式中：Sλ为传感器的波长灵敏度，Δλp为共振波谷的偏移，Δna为待测样品折射率的改变，RIU为折射率单位。同理右侧为温度的改变。绘制了峰值波长随温度升高的变化曲线。拟合线表现出良好的线性关系。温度灵敏度达到了6.50nm/℃，折射率灵敏度在折射率＝1.38时达到了10000nm/RIU左右。当温度变化或是折射率变化时均能引起损耗峰值较大的变化，能够较好地确定温度和折射率。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多参数测量的光纤LMR传感器，其特征在于：包括纤芯(1)，所述纤芯(1)的外表面设置有包层(2)，所述包层(2)上沿纤芯(1)的延伸方向设置有多个空气孔(6)，所述相邻两个空气孔(6)之间设置有空气孔内壁(5)，所述纤芯(1)的表面与空气孔(6)之间的露芯部分涂敷有TiO2薄膜层(4)，所述空气孔(6)的内表面涂敷有SnO2薄膜层(3)，所述空气孔(6)的内部填充有热敏材料。
2.根据权利要求1所述的一种多参数测量的光纤LMR传感器，其特征还在于：该传感器的上端具有缺口，该缺口为上W型。
3.根据权利要求1所述的一种多参数测量的光纤LMR传感器，其特征还在于：所述相邻两个空气孔(6)之间的空气孔内壁(5)的距离为1μm-2μm。
4.根据权利要求1所述的一种多参数测量的光纤LMR传感器，其特征还在于：所述纤芯(1)的直径为10μm-15μm。
5.根据权利要求1所述的一种多参数测量的光纤LMR传感器，其特征还在于：所述的光纤LMR传感器的光纤直径为120-130μm。
6.根据权利要求1所述的一种多参数测量的光纤LMR传感器，其特征还在于：所述SnO2薄膜层(3)的厚度为50-100nm。
7.根据权利要求1所述的一种多参数测量的光纤LMR传感器，其特征还在于：该光纤LMR传感器W型露芯部分的TiO2薄膜层厚度为25-100nm。
8.根据权利要求1所述的一种多参数测量的光纤LMR传感器，其特征还在于：所述热敏材料为甲苯。
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| CN201920224694.5U CN209485986U (zh) | 2019-02-22 | 2019-02-22 | 一种多参数测量的光纤lmr传感器 |
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| CN109655434A (zh) * | 2019-02-22 | 2019-04-19 | 东北大学 | 一种多参数测量的光纤lmr传感器 |
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2019
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