[实用新型]基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器

说明书

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器。 

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)是指当光源发出的P型偏振复色光经过薄膜金属与介质的交界面时，若满足入射角大于全反射临界角，在表面上形成了电子浓度的梯度分布，形成等离子体振荡，形成表面等离子体波，由于表面倏逝波场与金属复折射率的存在，使满足谐振波长的光部分被吸收，其余波长的光被反射的现象。1968年，德国物理学家Otto和Kretschmann各自采用(AttenuatedTotal Reflection，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。1993年，Jorgenson等人在实验上实现了基于SPR的光纤化工传感器，相比于棱镜SPR传感器，它具有体积小、响应快、成本低、可以实现在线实时监测等优势，有着更大的研究前景和经济价值。 

自第二次世界大战之后以来，水声技术在军事需求的强势推动下得到了长足的发展，声场是收集、传递和处理海洋深层信息的重要方式，光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号振动传感器，主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。光纤水听器主要分为强度型、偏振型和相位干涉型，其中干涉型为目前研究的热点。干涉型光纤水听器是利用声波对单模光纤线圈中光的相位进行调制，使得传感光纤线圈发生弹性效应和应变效应，光纤线圈产生振动作为传感单元。目前报道中有采用圆柱体中空自由溢水式结构，传感臂光纤缠绕在外层弹性体上，参考臂光纤缠绕在内层弹性体上作为声波振动探头，这种结构灵敏度主要取决于弹性体的灵敏度，灵敏度低且结构复杂；有人利用简易支架结合长周期光纤光栅作为水听器的振动传感器，这种设计机械结构相对简化，但长周期光纤光栅易受交叉温度、折射率、应变等交叉参数的影响，因此需要复杂的信号解系统；中船重工715研究所联合浙江大学报道了采用金属弹片作为增敏结构的光纤光栅振动传感器作为水听器的探头，Michelson干涉仪进行解调，该结构相比前面报道灵敏度有所增加，但成本增加。这些作为光纤水听器的振动传感器要不结构复杂，要不解调设备昂贵，要不就需要复杂的数据处理过程，而且整体上每一种结构的灵敏度不高，这些振动传感器的缺点严重阻碍光纤水听器的发展和应用。 

针对上述光纤水听器中振动传感头结构复杂、测量成本高、数据处理复杂、灵敏度低等问题，本实用新型提出一种基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器。本实用新型中以类“喇叭”结构底部镀金膜作为声波接收头，与侧边抛磨单模光纤构成的光纤SPR振动传感头，随着声波振动，金膜与光纤间的间隙发生变化，从而使得SPR谐振波长发生变化。 因此，本实用新型提出的基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器能够实现微小振动的超灵敏度传感，结构简单，成本低，具有很强的实用价值。 

实用新型内容

为了克服光纤水听器中振动传感头结构复杂、测量成本高、数据处理复杂、灵敏度低等问题，本实用新型提出了一种结构简单、超灵敏度、低成本、实用性强的基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器。 

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案： 

基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器，包括：激光光源、光隔离器、偏振控制器、2×1耦合器、单模传输光纤、侧边抛磨单模光纤、镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器、全反射膜、光电探测器、数据采集卡(DAC)以及PC机。 

激光光源的输出端与光隔离器输入端相连，光隔离器的输出端与偏振控制器相连，2×1耦合器有两端口的一端分别于偏振控制器的输出端和光电探测器相连，数据采集卡(DAC)分别与光电探测器的输出端和PC机相连，其中光电探测器具有时间响应特性；2×1耦合器的一端口的一端与单模传输光纤的一端相连，单模传输光纤的另一端与侧边抛磨单模光纤未镀膜的一端相连，侧边抛磨单模光纤的另一端镀有全反射膜。侧边抛磨单模光纤和镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器形成空气间隙，侧边抛磨单模光纤剩余包层的厚度在50nm～250nm之间，空气间隙的宽度在1nm～12nm之间，金膜厚度在40nm～70nm之间，表面粗糙度的均方根小于等于5nm，且镀金膜的金属薄膜具有很好的弹性、柔韧性且厚度在1mm～5mm之间，全反射膜对谐振波长的反射率大于等于90％；由侧边抛磨单模光纤、空气间隙、镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器组成超灵敏度光纤振动传感头。光电探测器和数据采集卡(DAC)作为SPR传感器的解调器。 

本实用新型的有益效果为：