[发明专利]等离子体共振倾斜光纤光栅传感器、检测系统及方法

权利要求书

1.等离子体共振倾斜光纤光栅检测系统，包括光源、起偏器和偏振控制器，其特征在于：还包括等离子体共振倾斜光纤光栅传感器、光电探测器、示波器和声场信号源，所述光源、起偏器、偏振控制器、等离子体共振倾斜光纤光栅传感器、光电探测器和示波器依次连接；所述等离子体共振倾斜光纤光栅传感器包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米量级的金属膜，所述倾斜光纤光栅的角度大于30度，且后向耦合的包层模有效折射率可覆盖0.9-1.45RIU；所述传感器依次通过光纤载氢预处理、倾斜光纤光栅写制和光纤表面纳米镀膜实现；

光源输出入射光，入射光经过起偏器后转变成线偏振光，偏振控制器将线偏振光的偏振方向调节成与倾斜光纤光栅侧向写入方向一致，调制好的线偏振光输入至等离子体共振倾斜光纤光栅传感器后，激发金属膜表面等离子体共振波，等离子体共振倾斜光纤光栅传感器的输出光通过光电探测器，将光信号转换为电信号，最后由示波器分析电信号；

在测量液体时，使液体折射率改变，通过测量等离子体共振倾斜光纤光栅传感器处包层模的强度变化，并将相应光信号转变为电信号，实现液体折射率的高精度测量；

在测量静态气体时，将等离子体共振倾斜光纤光栅传感器置于气体密封腔内，利用气泵注入或抽出密封腔内待测气体，使密封腔内气体折射率改变，通过测量等离子体共振倾斜光纤光栅传感器处包层模的强度变化，并将相应光信号转变为电信号，实现气体静态折射率的高精度测量；

在测量动态气体时，通过声场信号源发出不同频率的弹性声波，这些声波信号与倾斜光纤光栅表面的等离子体共振波相互作用，通过测量等离子体共振倾斜光纤光栅传感器处包层模的强度变化，并将相应光信号转变为电信号，实现气体动态折射率的高精度测量。

2.根据权利要求1所述的等离子体共振倾斜光纤光栅检测系统，其特征在于：所述光纤载氢预处理、倾斜光纤光栅写制和光纤表面纳米镀膜的具体实现过程如下：

1)光纤载氢预处理：将高参锗光敏光纤放入充满氢气的容器中，温度为50℃，压强为1500psi，在168小时后可使氢分子扩散到高参锗光敏光纤的纤芯中；

2)倾斜光纤光栅写制：紫外入射光经过聚焦透镜聚焦到相位掩膜板上，相位掩模板与载氢后的高参锗光敏光纤相平行，紫外入射光通过相位掩模板后照射在高参锗光敏光纤上，然后调节控制相位掩模板和紫外入射光写入角度的角度调节架，形成大于30度的倾斜光纤光栅，并控制写入时间得到高消光比的倾斜光栅，且后向耦合的包层模有效折射率可覆盖0.9-1.45RIU；

3)光纤表面纳米镀膜：利用磁控溅射的方法，在倾斜光纤光栅表面均匀的镀上金属层，在镀膜过程中，高参锗光敏光纤匀速旋转，使金属原子均匀的镀在倾斜光纤光栅表面，并精确控制膜层厚度。

3.根据权利要求2所述的等离子体共振倾斜光纤光栅检测系统，其特征在于：所述紫外入射光是由193nm准分子激光器输出能量为3mJ、频率为200Hz脉冲紫外激光。

4.根据权利要求1所述的等离子体共振倾斜光纤光栅检测系统，其特征在于：所述倾斜光纤光栅的长度为15mm，工作波长为1250-1550nm，倾斜角度为37度。

5.根据权利要求1所述的等离子体共振倾斜光纤光栅检测系统，其特征在于：所述金属膜为金膜，该金膜的膜层厚度为50nm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的等离子体共振倾斜光纤光栅检测系统，其特征在于：所述光源为可调谐激光器，该可调谐激光器工作波长与倾斜光纤光栅等离子体共振激发波长相匹配。

7.根据权利要求1-5任一项所述的等离子体共振倾斜光纤光栅检测系统，其特征在于：所述声场信号源包括扩音器、音频放大器和信号发生器，所述扩音器、音频放大器和信号发生器依次连接，所述信号发生器的信号频率涵盖kHz至MHz。