CN219475396U - 基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器，包括光纤包层和纤芯，光纤包层设在纤芯外围；纤芯中心设有四个大圆孔，四个大圆孔呈“十”字排布，组成传感通道，其中两个大圆孔填充空气，另外两个为液体传感通道，内壁分别沉积了金属层；纤芯中心还设有四个小圆孔；在传感通道外围，还设有多个中圆孔，按照方形晶格结构排列；光纤包层内的空隙设有填充材料，填充材料为二氧化硅。本实用新型可以做到对两种溶液浓度同时进行测量，并且互不影响，并且拟合度很高，误差很小。

Description

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器

技术领域

本实用新型提供一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器，属于测量传感器技术领域。

背景技术

常见的溶液浓度的采用双锥形光纤来测量液体浓度。使用C波段DFB半导体激光器作为光源，双锥形光纤作为接触液体的光纤敏感元件，用光纤传输光信号，用光功率计检测光信号，通过改变光纤锥区周围液体的浓度，对锥形光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度发生变化，再通过对调制过的光信号进行检测，从而得出被测液体浓度。但是该方法存在以下缺点：

①光在水中和空气中的传输比接近于1时，双锥光纤的灵敏度很低。

②此项技术的双锥形光纤制作使用的是热拉法拉制光纤，这种制作方法在拉制过程中，拉锥速度、拉锥时间、拉锥所用的力以及火焰的控制仍然存在一定的困难。

③用双锥光纤测量液体浓度有极限值，当浓度高于这一数值后，无法实现液体浓度测量。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器，以解决以下问题：

①现有液体浓度传感技术在在线的连续监测和控制方面存在着一定的缺陷。

②无法实现实时在线测量，实用性不高。

③已有的液体浓度传感器大多只能对单个液体进行检测。

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器，包括光纤包层和纤芯，光纤包层设在纤芯外围；

所述的纤芯中心设有四个大圆孔，四个大圆孔呈“十”字排布，组成传感通道，其中两个大圆孔填充空气，直径为d₄＝1.6μm，另外两个为液体传感通道，分别为第一液体传感通道和第二液体传感通道，直径d₃＝1.4μm，第一液体传感通道和第二液体传感通道内壁分别沉积了厚度为t₁的金属层和厚度为t₂的金属层，用于激发表面等离子体共振现象；

所述的纤芯中心还设有四个小圆孔，作为小空气孔，用来降低局部二氧化硅的平均折射率；其直径大小为d₁＝0.7μm；

所述的纤芯内，在传感通道外围，还设有多个中圆孔，中圆孔为气孔，按照方形晶格结构排列，相邻两个中圆孔之间距离为Λ，中圆孔直径为d₂＝1μm；

光纤包层内，大圆孔、小圆孔、中圆孔之间的空隙设有填充材料，填充材料为二氧化硅。

本实用新型技术方案带来的有益效果：

①现有技术无法实现实时在线测量，实用性不高，而本实用新型是基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器，可以实现对液体浓度进行实时监测测量。

②已有的液体浓度传感器只能对单个液体进行检测，而本实用新型可以做到对两种溶液浓度同时进行测量，并且互不影响，并且拟合度很高，误差很小。

③此设计所需的材料成本小，符合传感器件小型化、高集成化的发展趋势，有望在工业生产、质量检测等领域有所应用。

附图说明

图1是本实用新型的截面结构示意图；

图2a是实施例中的t₁＝40nm时，x偏振方向的损耗图谱；

图2b是实施例中的t₁＝40nm时，y偏振方向的损耗图谱；

图3a是实施例中的t₂＝40nm时，x偏振方向的损耗图谱；

图3b是实施例中的t₂＝40nm时，y偏振方向的损耗图谱；

图4a是实施例中的不同空气孔间距下x偏振方向的损耗图谱；

图4b是实施例中的不同空气孔间距下y偏振方向的损耗图谱；

图5a是实施例中的不同待测液体通道大小下x偏振方向的损耗图谱；

图5b是实施例中的不同待测液体通道大小下y偏振方向的损耗图谱；

图6a是实施例中的x偏振方向的SPP模式、色散关系与损耗图谱；

图6b是实施例中的y偏振方向的SPP模式、色散关系与损耗图谱；

图7a是实施例中不同的乙二醇溶液浓度下的损耗峰值波长变化拟合曲线；

图7b是实施例中不同的蔗糖溶液浓度下的损耗峰值波长变化拟合曲线。

具体实施方式

结合附图说明本实用新型的具体技术方案。

如图1所示，为基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器的截面结构，包括光纤包层和纤芯，光纤包层设在纤芯外围；

所述的纤芯中心设有四个大圆孔4，四个大圆孔4呈“十”字排布，组成传感通道，其中两个大圆孔4填充空气，直径为d₄＝1.6μm，另外两个为液体传感通道，d₃＝1.4μm，分别为第一液体传感通道41和第二液体传感通道42，第一液体传感通道41和第二液体传感通道42内壁分别沉积了厚度为t₁的金属层43和厚度为t₂的金属层44，用于激发表面等离子体共振现象；

所述的纤芯中心还设有四个小圆孔2，作为小空气孔；小圆孔2用来降低局部二氧化硅的平均折射率，其直径大小为d₁＝0.7μm。

所述的纤芯内，在传感通道外围，还设有多个中圆孔3，中圆孔3为气孔，按照方形晶格结构排列，相邻两个中圆孔3之间距离为Λ，中圆孔3直径为d₂＝1μm；

光纤包层内，大圆孔4、小圆孔2、中圆孔3之间的空隙设有填充材料1，填充材料1为二氧化硅。

光子晶体光纤PCF、表面等离子体共振SPR相结合所制成的传感器在灵敏度、适用领域、抗噪等性能方面大大增强，且可通过改变传感器内部结构参数提升耦合效率进一步减小损耗，增大工程使用寿命。

PCF-SPR传感器可有效提高传感器性能，改善以普通光纤作为敏感元件存在的保偏性差、耦合损耗大等问题。

表面等离子体共振领域的传感材料常见的有金属，如金、银、铜。相比于金和银，在满足相位匹配条件后金作为传感材料更加容易激发SPR效应，且金的化学性质稳定，不易被氧化；而银作为传感材料时损耗峰更尖锐，利于测量，但银的性质活泼，故一般须在银上在镀一层材料来防止其氧化。考虑到传感器性能稳定和加工难度及成本，故选用金作为激发表面等离子体共振的金属材料

通过改变传感器的某些参数进而计算，并绘制损耗图谱，分析这些参数对传感器的影响，其中，对于本实用新型提供的传感器有三个重要的参数：金属厚度，空气孔间距，待测溶液通道大小。

(1)金属厚度：

对于所设计的传感器来说，损耗也不能太低以至于表面等离子共振效应不明显，而影响最后的结果分析，如图2a和图2b、图3a和图3b所示，因此损耗适中即可；最后共振波长要尽量处于通信波段，方便进行检测。综合以上因素，最后选择t₁＝40nm，t₂＝45nm。

(2)空气孔间距

随着空气孔间距的增大，共振波长都向右移动，但损耗峰值几乎不发生变化。这是由于空气孔间距越大，被限制在纤芯的能量越强，而导致基膜与等离子体模的耦合增强。

如图4a和图4b，综合参数选择要求，最后选择Λ＝2.8μm。

(3)待测溶液通道大小

随着d₃的增大，共振波长都发生红移，同时损耗峰值也逐渐增大，即SPR效应增强，这是由于待测液体通道越大，所镀金属可暴露在光场的面积也越大，在激发SPR之后，导致基膜与等离子体模的耦合增强，故被限制在纤芯的能量越弱。

如图5a和图5b，综合参数选择要求，最后选择d₃＝1.4μm。

如图6a和图6b，为分别确定最佳结构参数后，两个偏振方向的有效折射率与损耗图随波长变化的曲线图。两个变化曲线都表明了在共振波长处光纤内反射光的能量大大地耦合到表面等离子体波中，使得损耗最大。

如图7a和图7b，对不同浓度溶液的乙二醇以及蔗糖的损耗图谱进行仿真计算，在金属膜厚度不同的基础上，进一步的验证了x、y两个模式无模间串扰；并通过损耗峰值曲线的偏移量进行分析，绘制溶液浓度与共振波长的拟合曲线，相比已有的传感器，灵敏度良好，且线性度较高，可实现对两种液体的同时测量。

Claims (4)

1.基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器，包含光纤包层和纤芯，光纤包层设在纤芯外围；

其特征在于，所述的纤芯中心设有四个大圆孔(4)，四个大圆孔(4)呈“十”字排布，组成传感通道，其中两个大圆孔(4)填充空气，另外两个为液体传感通道，分别为第一液体传感通道(41)和第二液体传感通道(42)，第一液体传感通道(41)和第二液体传感通道(42)内壁分别沉积了厚度为t₁的金属层(43)和t₂的金属层(44)，用于激发表面等离子体共振现象；

所述的纤芯中心还设有小圆孔(2)，作为小空气孔，用来降低局部二氧化硅的平均折射率；

所述的纤芯内，在传感通道外围，还设有多个中圆孔(3)，中圆孔(3)为气孔，按照方形晶格结构排列；

光纤包层内，大圆孔(4)、小圆孔(2)、中圆孔(3)之间的空隙设有填充材料(1)，填充材料(1)为二氧化硅。

2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器，其特征在于，所述的小圆孔(2)直径大小为d₁＝0.7μm。

3.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器，其特征在于，所述的中圆孔(3)直径为d₂＝1μm。

4.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体浓度传感器，其特征在于，所述的大圆孔(4)，两个填充空气的直径为d₄＝1.6μm，两个液体传感通道的直径d₃＝1.4μm。