[发明专利]基于近红外双峰PCF折射率与应力双参量传感系统

权利要求书

1.基于近红外双峰PCF折射率与应力双参量传感系统，其特征在于：由ASE光源(1)、单模光纤(2)、传感单元(3)、光谱仪(4)、光电转化器(5)、解调模块(6)和PC端(7)组成；

所述ASE光源(1)的输出波段为近红外波段，输出760-2600nm的光信号，其中心波长为1550nm；

所述传感单元(3)为光子晶体光纤(3-1)；由包层(3-2)、Ag层(3-5)、MXene薄膜(3-6)和分析液(3-7)构成；其特征在于：包层(3-2)中包含16个空气孔(3-3)和17个空气孔(3-4)；空气孔(3-3)、空气孔(3-4)关于光纤y轴呈对称排列；空气孔(3-4)分布于空气孔(3-3)之间，空气孔(3-3)和空气孔(3-4)均呈现等三角形排列；在纤芯处缺失一空气孔；Ag层(3-5)和MXene薄膜(3-6)位于包层(3-2)和分析液(3-7)交界处，其中Ag层(3-5)在MXene薄膜(3-6)的下方；

所述的传感单元(3)，其特征在于：包层(3-2)直径为10μm，空气孔(3-3)直径为1.2μm，空气孔(3-4)直径为0.4μm；空气孔(3-3)间距Λ₁为2μm，空气孔(3-4)间距Λ₂为2μm；Ag层(3-5)厚度为30nm；MXene薄膜(3-6)厚度为9.98nm；包层材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义；其表达式为：

式中λ为光波波长，其单位为微米；n(λ)为熔融石英的折射率；

敏感材料为Ag层(3-5)和MXene薄膜(3-6)；所述的Ag层(3-5)利用光纤磁控溅射涂层方法进行涂覆；采用堆叠-拉丝技术制备光子晶体光纤(3-1)，光子晶体光纤(3-1)长度为15mm，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1800℃-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；

所述的MXene薄膜(3-6)选用单层Ti₃C₂材料，采用滴涂法均匀涂敷在光子晶体光纤(3-1)的Ag层(3-5)上方；放入干燥箱中，设定温度为50℃进行干燥5-10小时；随后将涂敷好的传感单元(3)放入室温中静置36小时；

MXene薄膜(3-6)选用单层Ti₃C₂材料，其具体的制备方法为：通过微爆炸刻蚀法，来选择性地腐蚀锂离子电池系统中Ti₃AlC₂的铝层，得到单层Ti₃C₂薄膜材料；首先选取5g粉末状Ti₃AlC₂作为原材料，以锂箔为阳极，Ti₃AlC₂涂敷在惰性金属表面作为阴极，1mol/l的LiTFSi作为电解液，在2.45ml二甲醚四甘醇(TEGDME)溶液中采取可控的嵌锂-合金-膨胀微爆炸机理，在0.20mA恒流放电条件下通电2.5小时得到2ml嵌锂MAX混合溶液；随后将分散在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中的聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂与Ti₃AlC₂混合制成Ti₃AlC₂阴极，在直流电压为8V条件下继续电解9小时制备获得0.1443g锂化MAX褐色固体材料；随后，将制备的锂化MAX放入10ml去离子水溶液中与水发生微爆炸反应，待反应结束后在室温条件下静置2小时；将溶液放入离心机中以4000rpm转速下离心1小时，得到0.052ml深褐色单层Ti₃C₂悬浊液；

所述分析液(3-7)为待测液体，可通过传感单元(3)测出其折射率；而应力的变化会改变光子晶体光纤(3-1)的包层(3-2)的折射率，进而改变损耗峰的位置，故可达到双参量测量的目的；

所述的基于近红外双峰PCF折射率与应力双参量传感装置及方法，其特征在于：ASE光源(1)发射光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，传感单元(3)输出至光谱仪(4)与光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出到解调模块(6)，最终在PC端(7)中显示；

所述的光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，其特征在于：Ag层(3-5)表面激发的等离子体波波矢与入射光场的波矢在特定的波长范围内达到相位匹配，发生两次能量耦合，出现两个共振损耗峰；表面等离子体共振(SPR)对介质环境变化十分敏感，分析液(3-7)与包层(3-2)折射率RI变化会使共振条件发生变化，导致两个共振损耗峰发生明显变化，由此可以实现高灵敏度、实时性探测；

所述的基于近红外双峰PCF折射率与应力双参量传感装置及方法，其特征在于：由ASE光源(1)发出光信号，经单模光纤(2)传输至传感单元(3)，当分析液(3-7)折射率改变时，光子晶体光纤(3-1)等离子体共振现象的条件发生改变，两种耦合模式发生变化，在光谱仪(4)中显示的两个峰的距离发生明显的改变，当分析液(3-7)或包层(3-2)的折射率增大时，两损耗峰之间的距离减小，当分析液(3-7)或包层(3-2)的折射率减少时，两损耗峰之间的距离增大，经双峰灵敏度公式计算灵敏度；

所述双峰灵敏度公式为：

s＝(Δλ_peak2-Δλ_peak1)/Δn_a (2)

式中(Δλ_peak2-Δλ_peak1)为两种不同折射率和应力状态下的两个损耗峰的波长距离差值，Δn_a为折射率/应力的变化量，s为所求得的双峰灵敏度；其中Δλ_peak1和Δλ_peak2的大小与传感单元(3)所处的折射率和应力状态对应；传感单元(3)将携带(Δλ_peak2-Δλ_peak1)数值的光信号传输至光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出至解调模块(6)，最终在PC端(7)中显示分析液(3-7)的信息；

所述的基于近红外双峰PCF折射率与应力双参量传感系统，其特征在于：在同时测量折射率与应力时需要用以下公式进行计算：

式(3)中Δλ₁为折射率改变后两峰间距的变化量，Δλ₂为应力改变后两峰间距的变化量，(Δλ_peak2-Δλ_peak1)为两种不同折射率和应力状态下的两个损耗峰的波长距离差值，S_T，S_N分别为折射率与应力的灵敏度，ΔT与ΔN分别为折射率与应力的变化量，进而从公式(4)可得出折射率与应力的变化量。