[发明专利]一种表面等离子体共振光纤传感器

说明书

本发明提出了一种表面等离子体共振光纤传感器，包括：传感光纤，该传感光纤为少模光纤，包括纤芯和包层，包层的传感区经加工形成两个相互垂直的切面，两个切面的交线与纤芯的中心轴线之间的距离大于R为纤芯的半径，并且纤芯的中心轴线到两个切面的垂线长度相同；及纳米金属线组，每个切面上均设有一个纳米金属线组，纳米金属线组包括至少两根相互平行的纳米金属线，所有纳米金属线的中心轴线均与纤芯的中心轴线平行，所有纳米金属线的半径相等、长度相等、截面形状相同。本发明能够实现偏振不敏感型传感，可以有效降低传感对光源及光纤器件的要求。

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种表面等离子体共振光纤传感器。

背景技术

表面等离子体共振是一种特殊的物理光学现象。光在界面处发生全反射时，会在界面附近产生倏逝波，倏逝波会激发金属介质界面的自由电子产生表面等离子体波。渗透到金属介质界面的波矢和表面等离子体波的波矢相等时，两者发生强烈耦合，就会发生表面等离子体共振现象。此时金属中的自由电子吸收入射光的能量，使得反射光的能量衰减，在反射光谱中出现共振吸收峰。表面等离子体共振现象对金属表面介质的折射率变化非常敏感，所以常被用来测量液体的折射率变化以及跟折射率变化相关的物理量。

光在光纤中传输时，在一定条件下传感区域倏逝波与金属表面等离子体波共振，透射光谱出现吸收峰，外界环境介质变化会导致SPR光谱曲线共振峰位置发生改变，从而实现对外界环境介质参量的检测。侧边抛磨光纤由于其强烈的倏逝场作用，常被用来制作光纤表面等离子体共振传感器。常见的侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感器是在抛磨区镀一层金属薄膜，这种结构对y偏振纤芯模式损耗较高，而对于x偏振纤芯模式损耗较低，难以调谐共振波长的范围和控制表面等离子体模和纤芯模式的耦合损耗。相比于金属薄膜，抛磨平面排列纳米金属线的结构对两种偏振态的纤芯模都有较高的耦合损耗，同时通过对纳米金属线的直径大小、数量和间距的合理设置，可有效控制调谐共振波长的范围、减少表面等离子体模数量从而形成更为明显的损耗峰、增强表面等离子体模和纤芯模式的耦合损耗，但该结构仍存在两种偏振态所对应的共振波长不同的问题。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种表面等离子体共振光纤传感器，能够实现偏振不敏感型传感，可以有效降低传感对光源及光纤器件的要求。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种表面等离子体共振光纤传感器，包括：

传感光纤，所述传感光纤为少模光纤，所述传感光纤在工作波长范围内，至少支持LP₁₁模的传输，所述传感光纤包括纤芯和包层，所述包层的传感区经加工形成两个相互垂直的切面，两个所述切面的交线与所述纤芯的中心轴线之间的距离大于R为所述纤芯的半径，并且所述纤芯的中心轴线到两个所述切面的垂线长度相同；及

纳米金属线组，每个所述切面上均设有一个纳米金属线组，所述纳米金属线组包括至少两根相互平行的纳米金属线，所有所述纳米金属线的中心轴线均与所述纤芯的中心轴线平行，所有所述纳米金属线的半径相等、长度相等、截面形状相同。

优选地，所述纤芯的中心轴线到两个所述切面的垂线长度为H，且0≤H-R≤1μm。

优选地，所述纳米金属线的材质为金或银，所述纳米金属线的半径r为50～200nm。

优选地，所述纳米金属线组中相邻两根所述纳米金属线的中心间距为d，满足

优选地，所述纳米金属线组包括奇数个所述纳米金属线。

优选地，每个所述纳米金属线组中的中间所述纳米金属线位于位置A，所述位置A为所述纤芯的中心轴线在所述切面的投影位置，其余所述纳米金属线对称分布于所述位置A的两侧。

优选地，所述纳米金属线组包括偶数个所述纳米金属线。