一種分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器及其測量方法，傳感器包括寬譜光源、光纖傳感單元和光譜儀，寬譜光源與光纖傳感單元的輸入端連接，光纖傳感單元的輸出端與光譜儀連接，光纖傳感單元由一段螺旋芯光纖和一段表面鍍有敏感金屬薄膜的無芯光纖構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)組成。測量方法通過在光譜儀中檢測到的表面等離子體共振波譜來判斷傳感單元中無芯光纖的外介質(zhì)的折射率；當無芯光纖的外介質(zhì)的折射率增大時，共振波長增大；外介質(zhì)折射率減小時，共振波長減小；將光源換成波長在表面等離子體共振波長附近的光源，用背向散射法確定發(fā)生表面等離子體共振的位置。本發(fā)明提高了能量利用率，靈敏度高，檢測難度低，能實現(xiàn)分布式檢測。
【專利說明】
一種分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器及其測量 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光纖表面等離子體共振傳感器的裝置，具體涉及一種分布式螺旋芯光 纖表面等離子體共振傳感器及其測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前光纖表面等離子體共振傳感器大概分為去包層類、錐形或楔形探針類、異芯 光纖類這三類。其中，去包層類在去包層時一致性難以控制，錐形或楔形探針類在對切割角 處理時所需要的切割、拋光和鍍膜工藝都非常高，異芯光纖類，也就是多模-單模-多模光纖 類，這類光纖不需要去包層、拋光、控制切割角等繁瑣的工藝，使得光纖生產(chǎn)成本大大降低。 這種光纖利用多模光纖的纖芯大于單模光纖纖芯的特點，當光從多模光纖的纖芯傳導(dǎo)進入 單模光纖的時候，光會大量泄漏進入到單模光纖的包層中，并在單模光纖的包層和外介質(zhì) 的界面上發(fā)生全反射并產(chǎn)生倏逝波，如果在單模光纖的包層外面鍍上敏感金屬薄膜就能產(chǎn) 生表面等離子體共振效應(yīng)。當單模光纖的外介質(zhì)改變時，相應(yīng)的表面等離子體共振波譜也 會改變。我們可以根據(jù)這種效應(yīng)測量不同的外介質(zhì)。
[0003] 然而，多模光纖中存在很多不同傳導(dǎo)模式的光，這些不同模式的光會以不同的角 度泄露進單模光纖，并且在單模光纖的包層和外介質(zhì)表面發(fā)生全反射時的角度也不同，那 么不同的全反射角也會對應(yīng)不同的表面等離子體共振波譜。也就是說，最終測量到的共振 波譜實際是多模光纖中不同模式所激發(fā)的共振波譜的疊加譜。這樣就會最終導(dǎo)致測量到的 共振波譜的半高寬降低，測量靈敏度降低。而單模光纖_無芯光纖-單模光纖結(jié)構(gòu)會因為單 模光纖的纖芯橫截面積遠小于包層而導(dǎo)致光從無芯光纖耦合進單模光纖時損失太大，降低 了能量利用率，使之無法構(gòu)成分布式系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種分布式螺 旋芯光纖表面等離子體共振傳感器及其測量方法，基于表面等離子體共振效應(yīng)的分布式螺 旋芯光纖-無芯光纖結(jié)構(gòu)，提高了能量利用率，靈敏度高，檢測難度低，能實現(xiàn)分布式檢測。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，包括寬譜光源、光纖傳感單兀 和光譜儀，所述寬譜光源與光纖傳感單元的輸入端連接，光纖傳感單元的輸出端與光譜儀 連接，所述光纖傳感單元由一段螺旋芯光纖和一段表面鍍有敏感金屬薄膜的無芯光纖構(gòu)成 的周期性結(jié)構(gòu)組成，每個周期內(nèi)敏感金屬薄膜的起點為螺旋芯光纖和無芯光纖的熔接點， 敏感金屬薄膜的終點為無芯光纖和螺旋芯光纖的熔接點。
[0007] 按上述方案，所述無芯光纖為去掉涂覆層的折射率一定的光纖。
[0008] 按上述方案，所述敏感金屬薄膜包括納米金屬薄膜、納米金屬氧化物薄膜、納米合 金薄膜及其他對濕度、溫度、濃度、應(yīng)力敏感的功能性及特異性材料薄膜。
[0009] 按上述方案，所述寬譜光源為波長在400~1800nm范圍內(nèi)連續(xù)變化的無突變的連 續(xù)譜白光激光光源。
[0010] 按上述方案，所述光譜儀為檢測波長范圍400~1800nm光強的光譜儀，檢測靈敏度 小于lnm〇
[0011]本發(fā)明還提供了一種上述分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器的測量方 法，包括如下步驟：
[0012] 1)通過在光譜儀中檢測到的表面等離子體共振波譜來判斷光纖傳感單元中無芯 光纖的外介質(zhì)的折射率；
[0013] 2)當無芯光纖的外介質(zhì)的折射率增大時，共振波長增大；當無芯光纖的外介質(zhì)折 射率減小時，共振波長減??；
[0014] 3)將寬譜光源換成波長在表面等離子體共振波長附近的光源，用背向散射法確定 發(fā)生表面等離子體共振的位置。
[0015] 按上述方案，所述步驟3)中，如果不發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象，則測得的反射光 功率隨著時間的增長而緩慢減??；如果在某處發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象，光傳播到該處 時背向散射光急劇減小，通過背向散射光急劇減小的現(xiàn)象測得發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象 的位置。
[0016]本發(fā)明的工作原理:使用一段螺旋芯光纖作為傳光光纖，無芯光纖作為傳感單元。 當寬譜光源發(fā)出的光耦合進入螺旋芯光纖后，由于螺旋芯光纖的纖芯彎曲結(jié)構(gòu)使得高階模 式的光在傳輸?shù)倪^程中快速損耗，而基模的能量幾乎不會損耗。對于無芯光纖而言，它和外 介質(zhì)一起構(gòu)成了光密-光疏結(jié)構(gòu)，也就是說無芯光纖相當于一段多模光纖的纖芯，外介質(zhì)相 當于多模光纖的包層。當螺旋芯光纖的基模光耦合進入無芯光纖時，會在無芯光纖中激發(fā) 多個模式的光。其中被激發(fā)的基模光會直接通過無芯光纖進入到下一段螺旋芯光纖中，而 高階模式的光會在無芯光纖的包層和外介質(zhì)的交界面發(fā)生全反射并產(chǎn)生倏逝波，在無芯光 纖的包層外側(cè)鍍上敏感金屬薄膜會增大倏逝波的橫向波矢，當入射光的波長滿足共振條件 時就能發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象。當外介質(zhì)的介電常數(shù)改變時，對應(yīng)的共振波長也會改 變?；谶@一現(xiàn)象可以測量不同的外介質(zhì)。如果某一位置的氣體濃度發(fā)生改變時，在光譜儀 中檢測到多個吸收峰，在觀察到有多個吸收峰的情況下，使用對應(yīng)的共振波長附近的光源 作為入射光源，再用背向散射法測得發(fā)生表面等離子體共振的位置。
[0017] 本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的光纖表面等離子體共振傳感器，具有以下有益效果：
[0018] 1、相對于去包層類的光纖表面等離子體共振傳感器而言，本發(fā)明不需要去包層， 因此不存在去包層的過程中存在的腐蝕程度難以控制，腐蝕之后的光纖表面難以拋光等問 題；
[0019] 2、相比于錐形或楔形探針表面等離子體共振傳感器而言，本發(fā)明不需要控制光纖 端口的切割角或錐形角，也不需要拋光等工藝；
[0020] 3、相比于多模光纖-單模光纖-多模光纖表面等離子體共振傳感器而言，由于使用 了螺旋芯光纖和無芯光纖，使得本發(fā)明不存在用多模光纖傳導(dǎo)入射光時存在的多模光纖中 模式眾多且難以控制的問題；
[0021] 4、相比于單模光纖-無芯光纖-單模光纖表面等離子體共振傳感器而言，由于本發(fā) 明所使用的螺旋芯光纖和多模光纖的纖芯直徑大于單模光纖，使得入射光的能量和出射光 的能量都高于單模光纖-無芯光纖-單模光纖表面等離子體共振傳感器，因而提高了能量利 用率，靈敏度高，檢測難度低，能實現(xiàn)分布式檢測。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2是圖1中光纖傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3是本發(fā)明的歸一化光譜只有一個吸收峰的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖4是本發(fā)明的歸一化光譜有多個吸收峰的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖5是本發(fā)明光譜儀檢測的光譜示意圖；
[0027] 圖中，1-寬譜光源，2-光纖傳感單元，21-螺旋芯光纖，22-無芯光纖，23-敏感金屬 薄膜，3-光譜儀，4-電腦。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步詳細的說明。
[0029] 參照圖1所示，本發(fā)明所述的分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，包括寬 譜光源1、光纖傳感單元2和光譜儀3,寬譜光源1與光纖傳感單元2的輸入端連接，光纖傳感 單元2的輸出端與光譜儀3連接，光譜儀3連接至電腦4。
[0030] 參照圖2所示，光纖傳感單元2由一段螺旋芯光纖21和一段表面鍍有敏感金屬薄膜 23的無芯光纖22構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)組成，每個周期內(nèi)敏感金屬薄膜23的起點為螺旋芯光纖 21和無芯光纖22的熔接點，敏感金屬薄膜23的終點為無芯光纖22和螺旋芯光纖21的熔接 點。
[0031]無芯光纖22為去掉涂覆層的折射率一定的光纖。
[0032]敏感金屬薄膜23包括納米金屬薄膜、納米金屬氧化物薄膜、納米合金薄膜及其他 對濕度、溫度、濃度、應(yīng)力敏感的功能性及特異性材料薄膜。
[0033]寬譜光源1為波長在400~1800nm范圍內(nèi)連續(xù)變化的無突變的連續(xù)譜白光激光光 源。
[0034] 光譜儀3為檢測波長范圍400~1800nm光強的光譜儀，檢測靈敏度小于lnm。
[0035]當光從寬譜光源1耦合進入螺旋芯光纖21時會激勵起多個模式的光，但是不同模 式的光的衰減系數(shù)不同。
[0036]基模光的衰減系數(shù)用Marcuse模型表示：
(1)
[0038]高階模式的光的衰減系數(shù)用K.S. Kaufman模型表示：
(2)
[0040]其中：a為纖芯半徑，k為波矢量，V為歸一化頻率，R為曲率半徑，為第二類 Hanke 1函數(shù)，Kv是修正的Hanke 1函數(shù)。I b可以表示為：
[0042] 其中G可以表示為：
[0043] G= yR(n2k〇)-2 (4)
[0044] 其中y反映了導(dǎo)模倏逝場的衰減速度：
(5):
[0046] ko為真空中的波矢量：
[0047] ko = 2JiA (6)
[0048] 由上式可知，在螺旋芯光纖21中，高階模式的光會快速損耗，但是基模光的能量幾 乎不會損耗。由于無芯光纖22的折射率大于外介質(zhì)，因此無芯光纖22和外介質(zhì)一起也構(gòu)成 了光密-光疏結(jié)構(gòu)，也就是說無芯光纖22相當于一段多模光纖的纖芯，外介質(zhì)相當于多模光 纖的包層。當螺旋芯光纖21的基模光耦合進入無芯光纖時，會在無芯光纖22中激發(fā)起多個 模式的光。其中，被激發(fā)的基模光直接通過無芯光纖22進入到下一段螺旋芯光纖21中，而高 階模式的光在無芯光纖22和外介質(zhì)的交界面發(fā)生全反射并產(chǎn)生倏逝波，在無芯光纖22的包 層外側(cè)鍍上敏感金屬薄膜23會增大倏逝波的橫向波矢，入射光中的P偏振光到達敏感金屬 薄膜23表面時部分穿透敏感金屬薄膜23,當其水平方向波長與敏感金屬薄膜23的等離子體 波相匹配時，光的能量會因為表面等離子體共振現(xiàn)象的發(fā)生而急劇減弱。
[0049] 當環(huán)境介質(zhì)的介電常數(shù)改變時，對應(yīng)的共振波長也不同。因此，當上述傳感結(jié)構(gòu)處 于一個大范圍的單一環(huán)境中時，比如50%氫氣50%氮氣的環(huán)境中時，在光譜儀中測得的波 譜只會有一個吸收峰，如圖3所示。但是如果某一位置的氣體濃度發(fā)生改變時，則會在光譜 儀中檢測到多個吸收峰，如圖4所示，在觀察到有多個吸收峰的情況下，使用對應(yīng)的共振波 長附近的光源作為入射光源，再用背向散射法可以測得發(fā)生表面等離子體共振的位置。
[0050] 背向散射法是將大功率的窄脈沖注射到被測光纖中，然后在同一端使用光時域反 射儀檢測光纖背向返回的散射光功率的方法，主要機理為瑞利散射。瑞利散射光的特征是 它的光波長相同，光功率與該點的入射光功率成正比，所以測量沿光線返回的背向瑞利散 射光功率就可以獲得光沿光纖傳輸時的信息，從而可以測得光纖的衰減。具體對于本測試 系統(tǒng)而言，如果不發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象，則測得的反射光功率會隨著時間的增長而 緩慢減小。但是如果在某處發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象，那么光傳播到該處時背向散射光 會急劇減小，通過這一現(xiàn)象可以測得發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象的位置，檢測結(jié)果示意圖 如圖5所示。
[0051] 顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的 實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其 它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā) 明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
【主權(quán)項】
1. 一種分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，包括寬譜光源、光纖傳感單元和 光譜儀，所述寬譜光源與光纖傳感單元的輸入端連接，光纖傳感單元的輸出端與光譜儀連 接，其特征在于，所述光纖傳感單元由一段螺旋芯光纖和一段表面鍍有敏感金屬薄膜的無 芯光纖構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)組成，每個周期內(nèi)敏感金屬薄膜的起點為螺旋芯光纖和無芯光纖 的熔接點，敏感金屬薄膜的終點為無芯光纖和螺旋芯光纖的熔接點。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所 述無芯光纖為去掉涂覆層的折射率一定的光纖。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所 述敏感金屬薄膜包括納米金屬薄膜、納米金屬氧化物薄膜、納米合金薄膜及其他對濕度、溫 度、濃度、應(yīng)力敏感的功能性及特異性材料薄膜。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所 述寬譜光源為波長在400~1800nm范圍內(nèi)連續(xù)變化的無突變的連續(xù)譜白光激光光源。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所 述光譜儀為檢測波長范圍400~1800nm光強的光譜儀，檢測靈敏度小于lnm。6. -種上述權(quán)利要求1~5任意一項所述的分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器 的測量方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 通過在光譜儀中檢測到的表面等離子體共振波譜來判斷光纖傳感單元中無芯光纖 的外介質(zhì)的折射率； 2) 當無芯光纖的外介質(zhì)的折射率增大時，共振波長增大；當無芯光纖的外介質(zhì)折射率 減小時，共振波長減??； 3) 將寬譜光源換成波長在表面等離子體共振波長附近的光源，用背向散射法確定發(fā)生 表面等離子體共振的位置。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的分布式螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器的測量方法，其 特征在于，所述步驟3)中，如果不發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象，則測得的反射光功率隨著時 間的增長而緩慢減??；如果在某處發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象，光傳播到該處時背向散射 光急劇減小，通過背向散射光急劇減小的現(xiàn)象測得發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象的位置。
【文檔編號】G01N21/552GK105911025SQ201610482299
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】鄭喆軒, 黎敏, 陶光樊, 王智坤
【申請人】武漢理工大學(xué)