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基于表面 等离子体增强机制D型微结构光纤 温度 传感器

专利类型	发明公开	法律事件	公开; 实质审查; 授权;
专利有效性	有效专利	当前状态	授权
申请号	CN202010961148.7	申请日	2020-09-14
公开(公告)号	CN111983749A	公开(公告)日	2020-11-24
申请人	河北科技大学;	申请人类型	学校
发明人	范振凯; 侯光宇; 秦建业; 张晶晶; 曹雪;	第一发明人	范振凯
权利人	河北科技大学	权利人类型	学校
当前权利人	河北科技大学	当前权利人类型	学校
省份	当前专利权人所在省份：河北省	城市	当前专利权人所在城市：河北省石家庄市
具体地址	当前专利权人所在详细地址：河北省石家庄市裕华区裕翔街26号	邮编	当前专利权人邮编：050000
主IPC国际分类	G02B6/02	所有IPC国际分类	G02B6/02 ; G02B6/032 ; G01K11/32
专利引用数量	2	专利被引用数量	3
专利权利要求数量	8	专利文献类型	A
专利代理机构	石家庄科诚专利事务所	专利代理人	贺寿元; 左燕生;
摘要	本发明属于传感器技术领域，公开了一种基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，包括背景材料，背景材料由一个圆弧曲面和一个平面围成D型，平面表面涂覆有金属膜，背景材料内包裹有空气孔和纤芯，纤芯位于圆弧曲面的圆心处，空气孔规则排列于纤芯周围，纤芯内填充液体形成液体纤芯传输通道。本发明提供的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，具有高线性度和高稳定性，实现了温度高灵敏度和宽量程范围的测量。本发明适用于测量温度。
权利要求	1.一种基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，其特征在于，包括背景材料，背景材料由一个圆弧曲面和一个平面围成D型，平面表面涂覆有金属膜，背景材料内包裹有空气孔和纤芯，纤芯位于圆弧曲面的圆心处，空气孔规则排列于纤芯周围，纤芯内填充液体形成液体纤芯传输通道。 2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，其特征在于，纤芯周围分布的空气孔从平面至圆弧曲面底部依次分别为第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔和第五层空气孔，第一层空气孔设置有圆心在一条直线上的六个空气孔，第一层空气孔最外层的两个空气孔圆心连线的中心与纤芯的中心位于同一条竖直直线上；第二层空气孔设置有圆心与纤芯的中心在一条直线上的六个空气孔，纤芯两侧分别均匀分布三个空气孔；第三层空气孔设置有六个空气孔，第四层空气孔设置有五个空气孔，第五层空气孔分设置有四个空气孔，第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔以及第五层空气孔的各自空气孔的圆心均分别在一条水平直线上，第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔以及第五层空气孔最外层、次外层和内层的空气孔的圆心分别依次连接后为一个正六边形的一半。 3.根据权利要求1或2所述的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，其特征在于，纤芯内填充液体为乙醇。 4.根据权利要求1或2所述的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，其特征在于，背景材料采用石英，金属膜采用的金属为纳米金。 5.根据权利要求3所述的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，其特征在于，背景材料采用石英，金属膜采用的金属为纳米金。 6.根据权利要求1、2、5中任意一项所述的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，其特征在于，金属膜厚度为40nm，纤芯直径为0.4μm，空气孔直径为0.5μm。 7.根据权利要求3所述的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，其特征在于，金属膜厚度为40nm，纤芯直径为0.4μm，空气孔直径为0.5μm。 8.根据权利要求4所述的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，其特征在于，金属膜厚度为40nm，纤芯直径为0.4μm，空气孔直径为0.5μm。
说明书全文	基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器技术领域 [0001] 本发明属于传感器技术领域，涉及一种光纤，具体地说是一种基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器。背景技术 [0002] 自从上世纪80年代低损耗光纤问世以来，光纤传感技术一直处于传感器技术发展的前沿，并与光纤通信技术一起成为光纤技术的两个重要领域。随着科技的不断发展，人们生活水平需求也日益提高，传统的光纤温度传感器由于存在温度交叉敏感、耦合损耗较大、系统稳定性不足等缺点，也渐渐无法满足人们的需求。1992年，英国Bath大学的P.St.J.Russe11等人首次提出了光子晶体光纤的概念。光子晶体光纤是在二维光子晶体的中心引入破坏周期结构的线缺陷，这个线缺陷可以通过缺失一个空气孔或者是引入与包层结构不同的空气孔实现。1996年，世界上第一根折射率引导型的光子晶体光纤被制作出来，这种光纤的基底材料为石英，在中心缺失一个空气孔引入缺陷，这种微结构光纤具有的独特的多孔结构能够方便地渗入待测气体或液体，只需很小体积的待测样品就可以得到更精准的测量，还具有灵活方便、无穷单模的特性，将这种微结构光纤应用于传感领域具有重要的应用价值。发明内容 [0003] 本发明的目的，是要提供一种基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，以克服传统光纤温度传感器的缺点。 [0004] 本发明为实现上述目的，所采用的技术方法如下：一种基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，包括背景材料，背景材料由一个圆弧曲面和一个平面围成D型，平面表面涂覆有金属膜，背景材料内包裹有空气孔和纤芯，纤芯位于圆弧曲面的圆心处，空气孔规则排列于纤芯周围，纤芯内填充液体形成液体纤芯传输通道。 [0005] 作为限定：纤芯周围分布的空气孔从平面至圆弧曲面底部依次分别为第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔和第五层空气孔，第一层空气孔设置有圆心在一条直线上的六个空气孔，第一层空气孔最外层的两个空气孔圆心连线的中心与纤芯的中心位于同一条竖直直线上；第二层空气孔设置有圆心与纤芯的中心在一条直线上的六个空气孔，纤芯两侧分别均匀分布三个空气孔；第三层空气孔设置有六个空气孔，第四层空气孔设置有五个空气孔，第五层空气孔分设置有四个空气孔，第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔以及第五层空气孔的各自空气孔的圆心均分别在一条水平直线上，第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔以及第五层空气孔最外层、次外层和内层的空气孔的圆心分别依次连接后为一个正六边形的一半。 [0006] 作为进一步限定：纤芯内填充液体为乙醇。 [0007] 作为再进一步限定：背景材料采用石英，金属膜采用的金属为纳米金。 [0008] 作为更进一步限定：金属膜厚度为40nm，纤芯直径为0.4μm，空气孔直径为0.5μm。 [0009] 本发明由于采用了上述方案，与现有技术相比，所取得的有益效果是：（1）本发明提供的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，通过在纤芯中填充热光系数大的液体介质，在D型微结构光纤平面涂覆金属膜，而微结构光纤具有独特的多孔结构，能够方便地渗入待测气体或液体，只需很小体积的待测样品就可以得到精准的测量，且还具有灵活方便、无穷单模的特性，等离子体和光纤模式的相位匹配，增强了表面等离子体共振的强度，提高了对温度的敏感度；（2）本发明提供的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，具有高线性度和高稳定性，它在25℃-95℃下能够得到宽量程温度范围内0.33nm/℃的高线性灵敏度，且具有极高的损耗峰值，并且只需极短的本发明的D型微结构光纤就能设计出良好的温度灵敏特性传感器，实现了温度高灵敏度和宽量程范围的测量；（3）本发明提供的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，纤芯填充液体采用乙醇，乙醇的热光系数较大，提高了传感器对温度的敏感度，而且成本低廉。 [0010] 综上所述，本发明提供的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，具有高线性度和高稳定性，实现了温度高灵敏度和宽量程范围的测量。 [0011] 本发明的基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器适用于测量温度。附图说明 [0012] 下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。 [0013] 图1是本发明实施例的D型微结构光纤温度传感器截面示意图；图2是本发明实施例的温度传感器中25oC的损耗峰和有效折射率的随着波长的变化关系；图3是本发明实施例的温度传感器中光纤基模模场分布图；图4是本发明实施例的温度传感器中x偏振方向不同温度下的光纤损耗与波长的关系图；图5是本发明实施例的温度传感器中x偏振方向25-95oC光纤的峰值波长与温度的变化关系；图6是本发明实施例温度传感器的y偏振方向不同温度下光纤损耗与波长之间的关系；图7是本发明实施例的温度传感器中y偏振方向25-95oC光纤的峰值波长与温度的变化关系；图8是本发明实施例的温度传感器的实验检测原理图；图中：1、第一层空气孔；2、第二层空气孔；3、第三层空气孔；4、第四层空气孔；5、第五层空气孔；6、纤芯；7、金属膜；8、背景材料；9、连续激光器；10、第一单模光纤；11、D型微结构光纤；12、第二单模光纤；13、光谱仪。具体实施方式 [0014] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和等效变化，都在本发明权利要求保护的范围之内。 [0015] 实施例基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器一种基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器，如图1所示，包括背景材料8，背景材料8由一个圆弧曲面和一个抛光平面围成D型，抛光平面表面涂覆有金属膜7，背景材料8内包裹有空气孔和纤芯6，纤芯6位于圆弧曲面的圆心处，纤芯6内填充液体形成液体纤芯传输通道，纤芯6周围分布的空气孔从抛光平面至圆弧曲面底部依次分别为第一层空气孔1、第二层空气孔2、第三层空气孔3、第四层空气孔4和第五层空气孔5，第一层空气孔 1设置有圆心在一条直线上的六个空气孔，第一层空气孔1最外层的两个空气孔圆心连线的中心与纤芯6的中心位于同一条竖直直线上；第二层空气2孔设置有圆心与纤芯6的中心在一条直线上的六个空气孔，纤芯6两侧分别均匀分布三个空气孔；第三层空气孔3设置有六个空气孔，第四层空气孔4设置有五个空气孔，第五层空气孔5分设置有四个空气孔，第二层空气孔2、第三层空气孔3、第四层空气孔4以及第五层空气孔5的各自空气孔的圆心均分别在一条水平直线上，第二层空气孔2、第三层空气孔3、第四层空气孔4以及第五层空气孔5最外层、次外层和内层的空气孔的圆心分别依次连接后为一个正六边形的一半。 [0016] 本实施例中纤芯6内填充液体为乙醇，背景材料8采用石英，金属膜7采用的金属为纳米金，金属膜7厚度为40nm，纤芯6直径为0.4μm，空气孔直径为0.5μm。 [0017] 图2显示了25℃时等离子体模有效折射率和芯模损耗随着波长的变化关系，图2(a)中显示了x偏振方向的光纤有效折射率和损耗随着波长的变化关系，图2(b)中显示了y偏振方向的光纤有效折射率和损耗随着波长的变化关系，由图中可知，x偏振方向的损耗峰值远远小于y偏振方向的损耗。 [0018] 图3为25℃下的x偏振模式、x偏振共振模式、y偏振模式和y偏振共振模式的光纤基模模场分布图，图3(a)为1000nm波长的y偏振模式，图3(b)为1000nm波长的x偏振模式，图3(c)为1342nm处y偏振共振模式，图3(d)为1353nm处x偏振共振模式，如图3(a)和图3(b)所示，1000nm处的光纤能量集中在光纤纤芯，图3(c)中为1342nm处，y偏振方向发生表面等离子体共振耦合，图3(d)为1353nm处，x偏振方向发生表面等离子体共振，x偏振方向的损耗在1353nm处达到峰值，综上，表明在发生表面等离子体共振时能量被金属表面吸收，能量从芯模转移到金属表面，造成很大的损耗。 [0019] 图4显示了不同温度下x偏振损耗与波长之间的关系，在25℃-95℃时的损耗光谱，随着温度的升高，损耗峰发生蓝移，损耗逐渐增大，结果表明，在25℃-95℃范围内，拟合效果较好，精度较高。 [0020] 图5中x偏振方向光纤的峰值波长与温度的变化在25-55℃获得下列拟合方程, y1=1376.30-1.02x ，R2=0.90，在55-95℃温度范围内拟合方程，y2=1331.75-0.17x ，R2=0.95，表面在两个范围内光纤损耗峰与温度成线性关系，并且展现出了显著的灵敏性。 [0021] 图6显示了不同温度下y偏振损耗与波长之间的关系，在25℃-95℃时的损耗光谱，随着温度的升高，光纤的损耗逐渐增加并且损耗峰值发生红移。 [0022] 图7中y偏振方向光纤的峰值波长与温度的变化在25-95℃获得下列拟合方程,y=2 1245.48+0.33x，线性度R =0.99，根据温度与波长峰值之间的关系最终得到了温度传感器的灵敏度和拟合线性度，在25-95℃范围内，可以通过损耗峰峰值波长实现对外界环境温度的测试，灵敏度高达0.33nm/℃。 [0023] 图8为基于表面等离子体增强机制D型微结构光纤温度传感器的检测原理图，本实验原理图有连续激光器9、第一单模光纤10、第二单模光纤12、乙醇填充的D型微结构光纤11和光谱仪13组成，连续激光器9发出的连续激光经过第一单模光纤10传输到D型微结构光纤11，经过第二单模光纤12传输到光谱仪13，通过改变填充乙醇的温度测试传输光谱的灵敏性移动，记录并拟合光谱峰随着温度变化的灵敏度，实现利用本实施例的温度传感器检测外界环境温度。

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