[发明专利]一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器

说明书

本发明提供了一种可同时实现多参量(温度、磁场强度和折射率)检测用的D型光子晶体光纤(PCF)表面等离子体共振(SPR)的传感器。所述D型PCF在纤芯两侧的两个空气孔分别引入磁流体和温敏介质形成通道1和通道2。本发明在D形PCF的侧抛平面、通道1和通道2的内壁分别涂覆金属膜；利用SPR效应，形成折射率传感通道；利用磁流体的磁光效应，形成磁场传感通道；同时利用温敏介质的温敏效应，形成温度传感通道，从而设计实现温度、磁场强度和折射率的多参量同时检测的传感器。本发明的优点是：克服传统光纤传感器单一测量的不足，实现了多参量同时检测；另外，D型结构减少了传感器与纤芯的距离，使传感器迅速检测待测液变化，实现高灵敏度传感。

技术领域

本发明涉及光纤SPR传感领域，特别是一种D型光子晶体光纤表面等离子体共振的多参量传感器。

背景技术

表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)是发生在电介质和金属面的一种物理光学现象。当入射光在金属介质界面处发生全内反射产生的倏逝波与表面等离子体波满足相位匹配条件时会发生共振，导致入射光能量大量耦合到表面等离子体波中，导致入射光的能量急剧下降，从而在损耗谱上出现损耗共振峰。SPR现象可以显著提高损耗峰的强度、改善损耗峰的位置、和提高传感器的灵敏度等，而且SPR现象对周围介质折射率(refractive index,RI)的变化极为敏感，使得SPR成为化学、生物医学以及环境监测领域一项很有前途的传感技术。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)又被称为多孔光纤或微结构光纤(Micro-Structured Fiber,MSF),按照其导光机理一般可分为折射率导光型机理和光子能隙导光机理。本发明所用光纤为折射率导光型光纤，主要特征是在端面呈D型的光纤结构中，通过在光纤包层中引入空气孔，来产生包层和纤芯间的折射率差，从而使得光可以在全内反射的作用下保持在纤芯中传播。其中，利用对光纤的激光刻蚀和光纤研磨抛光技术可以将圆形光纤制成D型光纤，然后在抛光面上进行金属膜的涂覆，用以制成基于D型光纤的光子器件；这种D型光纤由于抛光面上的金属膜能更好地接触到待测液体，使得传感器迅速感知待测液体的变化，从而实现高灵敏度传感。当待测液体折射率发生改变时，损耗峰的共振波长发生偏移，通过检测共振波长的移动来实现环境参数变化量的测量。这也是当前研究的热点领域之一。

随着光纤SPR传感和MFs技术的发展，诸多学者开始研究采用光纤SPR传感技术和MFs填充方式实现磁场传感。2016年，Weng等人提出一种基于SPR效应和MFs填充的磁场传感器，可实现30～210.9Oe磁场强度范围内的传感，且灵敏度可达1.063nm/Oe。2017年，Liu等人提出了一种基于双通道光纤的双参量SPR传感器，并在两个通道内同时填充MFs，以实现温度与磁场的双参量传感，传感器的磁场灵敏度达到1.08nm/mT，温度灵敏度达到-0.2269nm/℃。2018年，Liu等人提出一种基于D型PCF和SPR的磁场传感器，利用SPR和定向耦合技术相结合的方式，通过在金属膜上流通MFs和在空气孔中填充甲苯进行温度补偿，实现了双参量传感，该传感器具有的磁场灵敏度为0.87nm/mT。

为克服传统光纤传感器单一测量的不足，本发明提出了一种利用混合传感机制，实现了磁场强度、温度、折射率三参量同时测量的D型SPR传感器。该传感器设计新颖，结构简单，检测范围宽，抗腐蚀能力强，灵敏度高，集成度高等优点，在未来实现光电子集成器件及多功能传感检测领域具有重要的应用前景，是一种实用的SPR多参量传感器。

发明内容