[发明专利]基于MOF双曲超材料的SPR二氧化碳气体光纤传感器

说明书

本发明公开了一种基于MOF双曲超材料的SPR二氧化碳气体光纤传感器，包括光纤微结构和MOF双曲超材料层；光纤微结构包括单模光纤和在单模光纤上制作的长周期光纤光栅，MOF双曲超材料涂覆在长周期光纤光栅处，形成MOF双曲超材料层，共同构成传感区域，光纤传感头两端分别连接光源和光谱仪。本发明利用MOF构成双曲超材料，其较与人工超材料没有用于电子散射的内部界面，能量损失会远低于人工超材料；本发明利用MOF双曲超材料高面内电导率和弱层间范德华耦合导致强介电各向异性，能支持更大的波矢，局域场效果增加，进一步提高传感器性能；本发明利用MOF双曲超材料自身的多孔特性，能改善传感器对气体的吸附和脱附能力，进一步提高其传感灵敏度。

技术领域

本发明属于光学传感器领域，具体涉及一种基于MOF双曲超材料的SPR二氧化碳气体光纤传感器。

背景技术

自工业革命以来，科学技术迅猛发展，在给人类带来巨大的物质性成就时，对自然环境无节制地开发，也引发了一场全球性的环境污染。首当其冲的是过度排放的二氧化碳气体带来的温室效应，为了有效地解决该问题，工业生产的源头排放治理是急需的，一系列针对气体监测的电化学传感器应运而生。

然而，随着监测要求的不断提高，此类传感器在低浓度、快速响应、恶劣环境下进行气体监测显得吃力，基于光纤的气体传感器则因能有效克服这些难题，尤其是基于等离子体共振(SPR)原理的光纤传感器，受到密切关注。

双曲超材料是一种具有双曲型色散的各向异性很强的材料，当有效介电常数或磁导率主对角元素有一个与另外两个异号时，它能达到传统单轴晶体超高各向异性的极限。相较于传统材料，其材料色散能灵活调节，然而目前研究最多两种人工双曲超材料：金属/电介质多层周期结构，金属纳米线结构，其不同构成材料具有不同的晶体特性，在亚波长尺度上有序生长非常困难，并且会带来一定的能量损耗。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于MOF双曲超材料的SPR二氧化碳气体光纤传感器，相较于人工超材料，MOF自然双曲超材料不需要人工构造，结构包括金属离子、有机骨架和位于有机骨架中的周期性空气孔，没有用于电子散射的内部界面，能量损失会远低于人工超材料；同时，利用其高面内电导率和弱层间范德华耦合导致强介电各向异性，能支持更大的波矢；并得益于MOF材料的多孔性质，传感器对气体的吸附和脱附能力得到改善，传感灵敏度能进一步提高。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于MOF双曲超材料的SPR二氧化碳气体光纤传感器，由光纤微结构和MOF双曲超材料层共同构成传感区域，光纤的两端分别设置光源和光谱仪，主要用于二氧化碳气体传感；光纤微结构由单模光纤和在单模光纤上制作的长周期光纤光栅组成。

进一步，长周期光纤光栅可利用二氧化碳激光器刻蚀、飞秒激光刻蚀、相位掩模板紫外写入等方法制得。

进一步，单模光纤包层直径为125μm，芯径为8.3μm；所述长周期光纤光栅周期数20-60、周期300-700μm。

进一步，MOF双曲超材料为Cu-BTC等金属有机骨架；MOF结构包括金属离子、有机骨架和位于有机骨架中的周期性空气孔，属于一种自然双曲超材料；的MOF双曲超材料结构主要通过化学生长方法长在光纤表面，通过控制生长时间来调节材料层厚度。

进一步，MOF双曲超材料可通过电子掺杂MOF获得，表现为在某一波段范围内垂直和平行介电常数分量异号。

本发明的工作原理：经由长周期光纤光栅将纤芯中传播的光激发到包层模，产生的倏逝波会渗透到MOF双曲超材料界面，引发超材料层中的自由电子产生表面等离子体波，当两者频率相等发生共振，界面处会出现衰减全反射的现象，出现SPR谐振谷。当外界环境中的二氧化碳气体处于不同浓度时，其进入到MOF孔中的折射率会发生变化，从而导致双曲超材料层表面激发的SPR波谷发生漂移，根据其漂移量对二氧化碳进行传感响应。