[发明专利]基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤及其传感器

说明书

一种基于表面等离子体效应的马赫‑曾德干涉光纤及其传感器，属于光纤传感器领域。基于表面等离子体效应的马赫‑曾德干涉光纤为在传感区域光纤外周设置有第一层金属膜，第一层金属膜外周设置有聚合物层，聚合物层外周设置有第二层金属膜；第一层金属膜的厚度为20～200nm，聚合物层的厚度为150～180nm，第二层金属膜的厚度为20～50nm。该光纤主要利用重金属薄膜在光波的作用下可以产生表面等离子体波，在双层重金属膜结构中，会产生两束等离子体波，从而会形成马赫‑曾德干涉。外界待测环境的变化会引起干涉光谱的移动，根据波长的移动量实现高灵敏度的检测。其结构简单、折射率灵敏度高、可工作在任意波段。

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，具体涉及一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤及其传感器。

背景技术

光纤表面等离子体共振(SPR)传感器由于其高灵敏度得到了广泛的应用，其传感器的原理是：光在传输过程中，在两种介质的分界面处发生全反射时，会激发金属膜中的自由电子震荡，形成表面等离子体波。但是，目前基于表面等离子体共振原理的光纤传感器的工作波长主要集中在可见光波段，对长波长，甚至中红外波段存在一定的局限，因此，进一步提高灵敏度，拓宽工作波长，可以更好的扩大传感器的应用范围。

马赫-曾德干涉仪是将一束光信号分成两部分，一部分进入参考臂，一部分进入传感臂，传输一定的距离后重新汇聚到一起后即会发生干涉。外界参数的变化会影响传感臂，进而影响干涉光谱，通过干涉光谱的变化，可以得到外界参数的变化情况。因此，马赫-曾德干涉仪在传感领域已有一定的应用，但是其检测灵敏度没有SPR传感器高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，该基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤传感器，其基于表面等离子体与马赫-曾德干涉原理进行设计，主要利用重金属(金、银等)薄膜在光波的作用下可以产生表面等离子体波，在双层重金属膜结构中，会产生两束等离子体波。由于在两层金属膜中传输的模式不同，传输速率也不同，两束等离子体波会形成马赫-曾德干涉。外界待测环境的变化会引起干涉光谱的移动，根据波长的移动量实现高灵敏度的检测。该光纤传感器具有结构简单、折射率灵敏度高、可工作在任意波段等优点。是一种可以与多种光纤结构结合的高灵敏度光纤传感器，可应用于生物溶液浓度或气体浓度测量。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤，为在传感区域光纤外周设置有第一层金属膜，第一层金属膜外周设置有聚合物层，聚合物层外周设置有第二层金属膜；

所述的第一层金属膜选用的材料为能够产生等离子体波的重金属材料，所述的聚合物层为透光率≥85％的聚合物层，所述的第二层金属膜选用的材料为能够产生等离子体波的重金属材料；

所述的第一层金属膜的厚度为20～200nm，聚合物层的厚度为150～180nm，第二层金属膜的厚度为20～50nm。

进一步地，所述的第一层金属膜的长度和传感区域光纤长度相同，或比传感区域光纤长度短，其长度优选为1～2cm；所述的聚合物层的长度和第一层金属膜的长度相同，所述的第二层金属膜的长度和第一层金属膜的长度相同、或比第一层金属膜的长度短1～2mm。

所述的传感区域光纤，用于将传输的光产生的倏逝波耦合到传感区域光纤外，所述的传感区域光纤可以选用无芯光纤、D型单模光纤、D型光子晶体光纤、拉锥光纤、空芯光纤中的一种。

所述的第一层金属膜选用的材料为能够产生等离子体波的重金属材料，所述的重金属材料优选为金、银、铜、铝中的一种；

所述的聚合物层中的聚合物选用透光性≥85％的聚合物材料，优选为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)；