[发明专利]光纤端面传感器及其设计方法和制造方法、光纤传感系统

权利要求书

1.一种光纤端面传感器，其特征在于，所述光纤端面传感器包括：介质层和金属层；

所述介质层为圆台结构，所述介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁，所述侧壁金属层用于辅助激发传输表面等离激元。

2.根据权利要求1所述的光纤端面传感器，其特征在于，所述介质层的结构参数包括圆台长度，利用波导模式的面内分量和表面等离激元进行波矢匹配激发所述传输表面等离激元，所述传输表面等离激元随着所述圆台长度和所述顶部半径变化。

3.根据权利要求1所述的光纤端面传感器，其特征在于，所述底部半径为光纤的模场直径的1/2。

4.根据权利要求1所述的光纤端面传感器，其特征在于，所述金属层的材料为金、银和铜中的至少一种，所述介质层的材料为光刻胶或和光纤纤芯相同的材料。

5.一种光纤端面传感器的设计方法，其特征在于，所述光纤端面传感器包括：介质层和金属层；所述介质层为圆台结构，所述介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁；

所述方法包括：

求解圆柱波导模式的本征值方程，计算得到光纤端面传感器WG模式的传播常数，所述传播常数被所述顶部半径影响；

根据圆台结构中波矢量分解，得到所述WG模式的平面内波矢，所述平面内波矢被所述传播常数和所述圆台长度影响；

通过波矢匹配实现所述WG模式和传输表面等离激元的耦合，确定所述光纤端面传感器的结构参数，所述结构参数包括所述顶部半径和所述圆台长度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用仿真软件对所述结构参数进行参数优化。

7.一种光纤端面传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

在光纤端面形成圆台结构的介质层，所述介质层包括顶部和底部，所述顶部半径小于所述底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

形成金属层，所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁，所述侧壁金属层用于辅助激发传输表面等离激元。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述在光纤端面形成圆台结构的介质层包括：

利用三维打印工艺或湿法腐蚀工艺在光纤端面形成圆台结构的介质层。

9.一种光纤传感系统，其特征在于，所述系统包括光源、至少一个光纤端面传感器、至少一个光纤和探测器，所述光纤和所述光纤端面传感器一一对应；

所述光纤端面传感器包括：介质层和金属层；所述介质层为圆台结构，所述介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁；

所述光纤端面传感器的一端连接所述光纤，所述光纤端面传感器的另一端连接待测样品；

所述光源和所述光纤连接，用于利用光纤向所述光纤端面传感器传输入射光；

所述探测器和所述光纤连接，用于接收所述光纤端面传感器通过所述光纤传输的携带所述待测样品信号的反射光。

10.根据权利要求9所述的光纤传感系统，其特征在于，当所述光纤端面传感器为多个，所述系统包括分束器；

所述分束器用于将多个所述光纤端面传感器的反射光分为每个所述光纤端面传感器对应的子反射光。