基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统技术方案

本发明专利技术专利提供了基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统，它包括光源、单模光纤、传感单元、光谱分析仪、光电转化器、信号处理模块和计算机。利用表面等离子体共振原理，通过一个特殊结构的光子晶体光纤的两个共振峰的间距来检测浓度与磁场，结果在计算机中显示。本发明专利技术由双峰灵敏度公式来取代传统的波长灵敏度的计算方法，提出的新的传感装置采用了双峰灵敏度的传感方法，具有灵敏度高、设计灵活、结构紧凑、稳定性强等优点，在生化分析物检测、水污染监控等实际使用的中具有更高的价值。值。值。

【技术实现步骤摘要】
基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统


[0001]本专利技术属于光纤传感
，具体涉及基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统。

技术介绍

[0002]表面等离子体共振(SPR)存在于金属和介质(或空气)之间，利用全反射倏逝波激发表面等离子体极化激元(SPP)。SPR传感技术因其灵敏度高、无背景干扰、样品无标签、无需进一步纯化、实时快速检测等特点，已经成为监测分析物的折射率、过滤特定频率的光和检测纳米生物膜的形成的多功能工具。近年来，基于光子晶体光纤(PCF)的SPR传感器的概念已被提出。光子晶体光纤的特点是其设计的灵活性，因此可以通过不同的气孔布置来定制色散、双折射、非线性等。这些方面使得光子晶体光纤在许多领域特别引人注目，并在基于气体的非线性光学、原子和粒子制导、超高非线性、掺稀土激光和传感等领域有广泛的应用。PCF
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SPR传感器可以实现等离子体模式和基模模式的完美匹配，因为基模的有效折射率可以设计为零到核心材料的折射率之间，在折射率检测方面具有很高的灵敏度和分辨率。克服了基于棱镜和传统光纤的SPR传感器体积大、传输损耗高、灵敏度低的缺点。目前PCF
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SPR传感器的结构很多。
[0003]H.M.Huang等人(A Highly Magnetic Field Sensitive Photonic Crystal Fiber Based on Surface Plasmon Resonance,2020,Sensors(Basel)20(18).)提出一种基于SPR的PCF磁场传感器，采用金属金作为SPR激发材料，空气孔布置为方形，形成两个两个纤芯A和B以传输光；但是磁流体材料选用气孔填充的方式，由于气孔为纳米量级，这会在制作上带来极大的难度；W.X.Zhang等人(Analysis of a magnetic field sensor based on photonic crystal fiber selectively infiltrated with magnetic fluids.Optical Fiber Technology 46:43
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47.)提出的一种基于磁流体选择性填充光子晶体光纤的磁场传感器由三层空气孔组成，这些空气孔排列在正六边形晶格中，同样也是选择在其空中填充磁流体材料，进而增加了制作难度；待测液浓度的变化会引起待测液折射率的变化，进而影响共振损耗谱的偏移；N.Chen等人(N.Chen,M.Chang,X.L.Lu,J.Zhou and X.D.Zhang,Numerical Analysis of Midinfrared D
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ShapedPhotonic
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Crystal
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Fiber Sensor based on Surface
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Plasmon
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Resonance Effect for Environmental Monitoring,Applied Sciences,2020,10(11):3897)提出一种工作在近红外波段(2.9
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3.6μm)、用于环境监测的基于SPR效应的D型PCF折射率传感器，分析物与金层直接接触，而且环绕整个D型PCF，而不是只接触抛光面，包层材料是硅，包层中的三层气孔按照六边形晶格排列；M.N.Sakib等人(M.N.Sakib,M.B.Hossain,K.F.Al
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tabatabaie,I.M.Mehedi,M.T.Hasan,M.A.Hossain,I.S.Amiri,High Performance Dual Core D
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Shape PCF
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SPR Sensor Modeling Employing Gold Coat,Results in physics,2019,15:102788)提出采用金涂层、固体双芯的D型PCF
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SPR传感器，分析物折射率范围为1.45
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1.48，两个固体纤芯与y轴对称，双芯能量与金属层能量耦合较困难，适用的探测范围较窄；S.Singh等人
(S.Singh,Y.K.Prajapati,Highly sensitive refractive index sensor based on D
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shaped PCF with gold
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graphene layers on the polished surface,Applied Physics A,2019,125:437)提出一种在抛光表面涂有金和石墨烯层的D型PCF折射率传感器，在固体纤芯x方向放置两个大空气孔，研究x方向偏振光发生耦合时的限制损耗谱；沈涛等人(沈涛，王韶峰，张智文，梁涵，杨添宇，宋明歆，王东兴，一种基于SPR的D型光子晶体光纤温度传感装置及方法(CN202011302617.0)公开了一种可检测温度的D型PCF传感装置，涂覆Ag和Ta2O5薄膜，通过波长漂移来检测灵敏度。
[0004]以上已公开PCF
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SPR的检测方法都是基于某种耦合模式，检测单一损耗峰的共振波长与其漂移变化。但PCF
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SPR传感器是同时拥有多个耦合存在，只检测一个耦合模式的峰值是困难，不稳定的。因为在实际使用中存在无法区分具体耦合模式所对应的约束损耗峰和约束损耗峰的共振波长波动不稳定导致无法检测的问题，Ying Guo等人提出(Ying Guo,Jianshe Li,Xinyu Wang,Shuhuan Zhang,Yundong Liu,Jie Wang,Shun Wang,Xiaojian Meng,Rui Hao,Shuguang Li,Highly sensitive sensor based on D
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shaped microstructure fiber with hollow core,Optics and Laser Technology 123(2020)105922)了双峰检测光子晶体光纤传感器，分别检测两个峰的波长漂移量，同时拥有两个灵敏度，但是与上述单峰光子晶体光纤传感器在检测方法上没有区别。Go ngli Xiao等人提出(Gongli Xiao,Zetao Ou,Hongyan Yang,Yanping Xu,Jianyun Chen,Haiou Li,Qi Li,Lizhen Zeng,Yanron Den and Jianqing Li,An Integrated Detection Based on a Multi
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Parameter Plasmonic Optical Fiber Sensor,Sensors 2021,21,803)双峰检测双参量光子晶体光纤传感器，通过两个耦合模式下的损耗峰同时检测两种参量，同样依据单峰的共振波长与共振波长漂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统，其特征在于：由光源(1)、单模光纤(2)、传感单元(3)、传感单元(4)、光谱分析仪(5)、光电转化器(6)、信号处理模块(7)和计算机(8)组成；所述传感单元(3)为光子晶体光纤(3
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1)；由包层(3
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2)、银膜(3
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6)和分析液(3
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7)构成，其中包层(3
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2)包括10个圆形空气孔(3
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3)、12个圆形空气孔(3
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4)、3个圆形空气孔(3
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5)；其特征在于：空气孔(3
‑
3)关于光纤y轴对称排列；空气孔(3
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4)位于空气孔(3
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3)与空气孔(3
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5)之间；空气孔(3
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5)位于包层(3
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2)最内层，呈三角形排列；银膜(3
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6)在包层(3
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2)与分析液(3
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7)交界处；所述的传感单元(3)，其特征在于：包层(3
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2)内空气孔间距Λ为2μm，包层(3
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2)直径为15μm，空气孔(3
‑
3)直径为1.5μm，空气孔(3
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4)直径为0.6μm，空气孔(3
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5)直径为2μm；银膜(3
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6)厚度为40nm；所述的传感单元(4)为光子晶体光纤(4
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1)；由包层(3
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2)、银膜(4
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5)、石墨烯层(4
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6)和分析液(4
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4)构成；其中包层(3
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2)由8个圆形空气孔(4
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2)、7个圆形空气孔(4
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3)构成；其特征在于：空气孔(4
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2)和空气孔(4
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3)关于光纤y轴对称排列；空气孔(4
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2)在光纤的最外层呈半六边形排列，内层空气孔(4
‑
3)呈六边形排列，其中间部分为光纤纤芯部分；所述的传感单元(4)，其特征在于：光子晶体光纤(4
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1)的空气孔间距Λ为1.5μm，光子晶体光纤(4
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1)的直径为6μm，空气孔(4
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2)的直径为0.9μm，空气孔(4
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3)的直径为0.8μm，银膜(4
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5)厚度为30nm，石墨烯层(4
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6)的厚度为1.0nm，石墨烯层数为3层；包层材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义；其中λ是光波的波长，参数a1＝0.6961663，a2＝0.4079426，a3＝0.8974794，b1＝0.0684043um，b2＝0.1162414um，b3＝9.896161um，因此可以计算PCF传输模式的色散；所述的银膜(3
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6)和银膜(4
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5)利用射频磁控溅射方法涂覆；采用堆叠
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拉丝技术制备光子晶体光纤(3
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1)和光子晶体光纤(4
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1)，光子晶体光纤(3
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1)和光子晶体光纤(4
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1)的长度为20mm，具体制备方法为：首先对石英套管进行预处理，在超净环境下按照参数拉制毛细管，拉制温度为1900℃
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2000℃，之后对毛细管两端用氢氧焰进行拉锥封孔，在石英套管中将毛细管按照设计要求堆积形成所需的结构，用纯石英棒对空隙进行填充，利用氧炔火焰将石英套管与毛细管烧结在一起，在拉丝塔上使用两次拉丝技术制成光子晶体光纤；所述分析液(3
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7)为待测液，待测液浓度的变化会改变待测液的折射率，从而影响共振峰的偏移量，而所述分析液(4
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4)为磁流体(MFs)，所使用的磁流体类型为水...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈涛，陈文建，李云强，王振家，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
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