一种基于表面等离子体共振的折射率温度双参数传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于表面等离子体共振的折射率温度双参数传感器，其特征包括：宽带光源，镀有金膜的MMF‑TCF‑MMF结构，光谱仪；所述SPR传感区结构是利用磁控离子溅射技术在MMF‑TCF‑MMF结构表面溅射一层金膜制备而成；由于细芯光纤的芯径远小于普通多模光纤，细芯光纤中产生强的倏逝场和SPR效应，当传感区附近的折射率微小增加时，SPR谱的深度加深，并向长波方向呈现广度扩展；同时，入射光由前一段MMF进入TCF时激发的低阶包层模式光，不产生倏逝场和SPR效应，当进入后一段MMF时，一部分会和芯模形成多模的MZ干涉效应，由于MZ干涉不受外界折射率影响，只对温度敏感，当传感区附近的温度发生变化时，MZ干涉谱的干涉谷波长发生明显的变化。因此，利用SPR谱的能量变化可获得折射率的变化，利用MZ干涉谱的干涉谷位置可以标定温度，从而可以实现基于SPR效应的双参数测量传感器。

A dual parameter sensor for refractive index temperature based on surface plasmon resonance

The utility model relates to a double parameter sensor of refractive index temperature based on surface plasmon resonance, which includes a broadband light source, a MMF TCF MMF structure with a gold film, a spectrometer, and the SPR sensing area structure is prepared by sputtering a layer of gold film on the surface of the MMF TCF MMF structure by magnetron sputtering. Because the core diameter of the core fiber is much smaller than that of the ordinary multimode fiber, the strong evanescent field and the SPR effect are produced in the fine core fiber. When the refractive index near the sensing area increases slightly, the depth of the SPR spectrum is deepened and the length of the long wave direction is extended. At the same time, the low order cladding mode light excited by the incident light from the previous section of MMF into the TCF There is no evanescent field and SPR effect. When the latter part of the MMF is entered, a part will form a multimode MZ interference effect with the core mold. Because the MZ interference is not affected by the external refractive index, it is sensitive only to the temperature. When the temperature of the sensing area changes, the interference Valley wavelength of the MZ interference spectrum changes obviously. Therefore, the change of the refractive index can be obtained by using the energy change of the SPR spectrum. The temperature can be calibrated by using the interference Valley position of the MZ interference spectrum, thus the dual parameter sensor based on the SPR effect can be realized.

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面等离子体共振的折射率温度双参数传感器
本技术属于光纤传感
，涉及一种基于表面等离子体共振原理的可同时测量折射率和温度双参数的光纤传感系统。
技术介绍
表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance，简称SPR)原理是指当合适光频的光源发出的P型偏振光从光密媒质入射，经过介质与金属薄膜的交界面时，若满足入射角大于全反射的临界角，在表面上形成了电子浓度的梯度分布，可激发表面等离子体共振，形成表面等离子体波，满足谐振波长的光将部分被吸收，其余波长的光将被反射的入射光能量转移现象。20世纪60年代末70年代初，德国物理学家Otto和Kretschmann各自采用(AttenuatedTotalReflection，简称ATR)的方法在实验中实现了光频波段的表面等离子体的激发。由于基于SPR效应的传感器具有不受电磁干扰、灵敏度高的特点，从上世纪80年代至今，世界上已有许多学者在Kretschmann模型的基础上对表面等离子体共振传感器的设计、生产和应用作了大量研究，进一步提出了各种改进的理论和方法。然而，现有的SPR传感器通常是用来测量折射率的，而外界温度的改变会引起折射率的变化，因此，要给定折射率的测量值需要给出相应的温度。但是现有的SPR传感器只能测量折射率参数，不能同时测量温度参数，都忽略了温度的影响，不能够给出完整的折射率信息，因此，当外界温度变化时会导致SPR传感器给出的折射率测量值出现偏差。由此看来，现有的光纤SPR传感器由于不能够同时测量温度和折射率参数，从而无法给出准确的折射率测量结果。针对上述现有的基于表面等离子体共振(SPR)传感器无法对温度和折射率进行同时测量的问题，本技术提出了一种简单的结构——基于表面等离子体共振原理的折射率温度双参数传感器，在一个单一的结构中同时包含了马克曾德干涉效应(MZ干涉)和SPR效应。利用SPR效应只对外界折射率敏感的特性来测量折射率，利用MZ干涉效应仅对温度敏感的特性来标定温度，实现了对折射率和温度的同时测量。一方面，在折射率的测量中考虑了温度的影响，提升了折射率测量结果的完整性和准确性；另一方面，温度监控是化工、生物等领域的一项重要因素，对温度参数进行测量，增加了SPR传感器的实用价值。此外，该传感器具有结构简单，成本低，灵敏度高的优点。
技术实现思路
为了克服现有的基于表面等离子体共振(SPR)传感器无法对温度和折射率进行同时测量的问题，本技术提出了一种结构简单，成本低，具有很强实用价值的基于表面等离子体共振原理的折射率温度双参数传感器。本技术为解决技术问题所采取的装置：一种基于表面等离子体共振的折射率温度双参数传感器，包括：宽带光源、镀有金膜的多模光纤-细芯光纤-多模光纤(MMF-TCF–MMF)结构、光谱仪。宽带光源的输出端与一段多模光纤相连，多模光纤的另一端与镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构相熔接，该结构的另一端与第二段多模光纤相熔接，第二段多模光纤的另一端与光谱仪相连；多模光纤作传输光纤；镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构为传感区；镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构由一段多模光纤、一段细芯光纤和另一段多模光纤依次熔接，并在其上侧表面镀有一层金膜构成；细芯光纤长度在1.2cm到1.8cm之间；该结构的金膜是利用磁控离子溅射技术在MMF-TCF-MMF结构的上侧表面溅射而成，金膜的厚度在30nm到50nm之间，表面粗糙度的均方差小于等于5nm；光谱仪作为信号解调系统。本技术的有益效果为：本技术利用镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构作为系统的传感区结构，信号光经过传感区时发生SPR效应和MZ干涉，通过SPR光谱的损耗加深和展宽程度得到折射率参数，通过MZ干涉谱的干涉谷波长变化标定温度的变化，可以实现基于SPR效应的折射率温度双参数测量传感器，具有灵敏度高，结构简单，成本低，实用价值高的优点。附图说明图1为一种基于表面等离子体共振的折射率温度双参数传感器的结构示意图。图2为不同折射率情况下的透射光谱图。具体实施方式下面结合附图对技术进一步描述。如图1所示，一种基于表面等离子体共振的折射率温度双参数传感器，包括：宽带光源1、镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构2、光谱仪3；本技术的工作方式为：宽带光源1产生信号光，由多模光纤传输进入镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构2，2输出的光信号通过多模光纤传输到光谱仪3。镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构2是由一段多模光纤4、一段细芯光纤5和另一段多模光纤6依次熔接，并在其上侧磁控溅射镀有一层厚度为30nm到50nm之间的金膜7构成。镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构2被固定在载玻片上，放置于培养皿中，作为系统的SPR传感区。当光信号光由前一段多模光纤4进入细芯光纤5时，一部分光会被激发为包层模，其中的部分高阶包层模到达细芯光纤5和金膜7的交界面，当满足模式匹配条件时，在细芯光纤和金膜7的交界面处会发生表面等离子体共振效应，输出光谱中出现明显的SPR共振峰和能量衰减。随着外界折射率的增大，输出光谱中的SPR峰会发生红移，使得整个光谱在长波部分的能量损耗加深，如图2所示。同时，当信号光由前一段多模光纤4进入细芯光纤5时，被激发的包层模中低阶包层模不会到达到细芯光纤5和金膜7的交界面，不产生SPR效应。低阶包层模在细芯光纤5的包层中传输，达细芯光纤5与后一段多模光纤6的交界面时，一部分会重新耦合到芯层，并与芯层的基模光发生干涉，形成多模的MZ干涉效应，在光谱图上产生梳状的MZ干涉谱。MZ干涉谱只受温度的影响，不会受到折射率变化的影响。选取MZ干涉谱中短波部分的干涉谷作为监测波长，将不会受到SPR共振峰的影响，因此MZ干涉在短波部分的干涉谷位置只与温度变化相关，如图2所示。在本技术中，表面等离子体共振谱的深度加深和向长波方向的广度扩展由外界折射率变化引起，MZ干涉谱在短波部分的干涉谷波长只由温度变化决定；通过SPR能量衰减的变化情况可以得到折射率的变化，通过MZ干涉的干涉谷波长可以标定温度。因此，在本技术中所提出的小巧而紧凑的结构里，利用SPR效应检测折射率，利用MZ干涉谱的干涉谷位置检测温度，从而实现对折射率和温度的同时测量。该装置能够实现一种基于表面等离子体共振的折射率温度双参数传感器的关键技术有：⑴由于细芯光纤的纤芯直径远小于普通多模光纤，当信号光由前一段多模光纤进入细芯光纤时，部分光能量会泄漏到包层，甚至到达细芯光纤和金膜的交界面，为有效地发生SPR效应提供条件。⑵信号光在多模光纤中传播时，光能量集中在芯层。当入射光到达多模光纤与细芯光纤的第一交界面处，由于芯径失配，光传输的截止条件发生改变，一部分信号光会被激发为包层模式光，在包层中与芯模光一起传输。其中，低阶包层模到达细芯光纤与多模光纤的第二交界面时，一部分会重新耦合到芯层，并与芯模光发生MZ干涉。由于MZ干涉只对温度变化敏感，不受SPR效应或折射率变化的影响，因此MZ干涉的干涉谷波长只与温度变化相关，可以用来标定温度。⑶一方面，利用磁控离子溅射技术在光纤一侧沉积金膜层，而不使用旋转器来覆盖光纤的整个表面，可以降低制造难度，从而节约成本；另一方面，细芯光纤表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于表面等离子体共振的折射率温度双参数传感器，包括：宽带光源、镀有金膜的多模光纤‑细芯光纤‑多模光纤（MMF‑TCF‑MMF）结构、光谱仪，其特征在于：宽带光源的输出端与一段多模光纤相连，多模光纤的另一端与镀有金膜的MMF ‑ TCF ‑ MMF结构相熔接，该结构的另一端与第二段多模光纤相熔接，第二段多模光纤的另一端与光谱仪相连；多模光纤作传输光纤；镀有金膜的MMF ‑ TCF ‑ MMF结构为传感区；光谱仪作为信号解调系统；所述的镀有金膜的MMF ‑ TCF ‑ MMF结构，其特征在于：由一段多模光纤（MMF）、一段细芯光纤（TCF）和另一段多模光纤（MMF）依次熔接，并在其上侧表面镀有一层金膜构成；细芯光纤长度在1.2cm到1.8cm之间；该结构的金膜是利用磁控离子溅射技术在MMF ‑ TCF ‑ MMF结构的上侧表面溅射而成，金膜的厚度在30nm到50nm之间，表面粗糙度的均方差小于等于5nm。

【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离子体共振的折射率温度双参数传感器，包括：宽带光源、镀有金膜的多模光纤-细芯光纤-多模光纤（MMF-TCF-MMF）结构、光谱仪，其特征在于：宽带光源的输出端与一段多模光纤相连，多模光纤的另一端与镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构相熔接，该结构的另一端与第二段多模光纤相熔接，第二段多模光纤的另一端与光谱仪相连；多模光纤作传输光纤；镀有金膜的MMF-TCF-MMF结构为传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵春柳，王雨，韩飞，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33