[发明专利]基于光纤表面等离子体共振的折射率温度双参数测量方法及装置

摘要

本发明涉及一种基于光纤SPR原理的折射率温度双参数测量方法及装置，由宽带光源，上侧镀金膜的多模光纤‑细芯光纤‑多模光纤(MMF‑TCF‑MMF)结构和光谱仪构成。上侧镀金膜的MMF‑TCF‑MMF结构为传感区；由于TCF与MMF芯径失配，信号光进入TCF时会激发出包层模，部分高阶模将到达TCF与金膜的交界处，产生SPR效应；同时，激发出的低阶包层模，在TCF包层传输，重新进入MMF后与芯模发生干涉，形成多模的MZ干涉仪；通过标定SPR谱的能量变化和MZ干涉谷的位置，在这个小巧而紧凑的结构里,可同时得到待测折射率和环境温度，实现双参数测量。

主权项

基于光纤表面等离子体共振的折射率温度双参数测量方法及装置，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤⑴选择一个输出波长为300nm至1000nm的宽带光源，一个工作波长覆盖300nm至1000nm的光谱仪，一根一定长度的细芯光纤，其长度在1.2cm到1.8cm之间，多模光纤；步骤⑵在细芯光纤(TCF)的两侧分别熔接一段多模光纤(MMF)，制备出MMF‑TCF‑MMF结构，形成一个迈克曾德干涉仪(MZ干涉仪)；入射光在第一段MMF中以芯模的形式传播，光能量主要集中在芯层，到达MMF与TCF的第一交界面时，由于细芯光纤的芯径明显小于多模光纤，造成芯径失配，当信号光进入细芯光纤时，一部分光会被激发为包层模在包层中传输，其中的低阶包层模到达细芯光纤与后一段多模光纤的交界面时，一部分会重新耦合到芯层，并与芯层的芯模光发生干涉，形成多模的MZ干涉效应；当发生干涉的两个模式满足相位关系时，透射光谱出现MZ干涉谷；其中，是光纤芯层的有效折射率，是第j阶包层模式的有效折射率，L是MMF‑TCF‑MMF结构中TCF段的长度，λD是是第K级MZ干涉谷的中心波长；波长λD对于温度变化的响应可由上式微分得到其中，是芯层与包层模式之间的有效折射率差；波长漂移方向由决定；步骤⑶利用磁控离子溅射的方法在MMF‑TCF‑MMF结构的上侧镀一层30‑50nm的金膜；当入射光沿着多模光纤传播到细芯光纤中时，由于芯径失配，集中在纤芯的光能量会大量进入包层，且光纤波导内的电磁场分布由麦克斯韦方程组决定，其中部分高阶包层模式光将到达细芯光纤与金膜的交界处，发生衰减全反射(ATR)；进入金膜的倏逝波波矢为金膜表面等离子体波矢为其中，c为真空中的光速，ω为入射光频率，ε0(λ)、ε1(λ)、ε2(λ)分别为纤芯、金属膜、外界介质的介电常数；当倏逝波波矢和表面等离子体波矢相匹配，即Kx＝Ksp时，产生表面等离子体共振(SPR)现象，且SPR效应的共振波长及其造成的能量衰减随外界介质折射率的改变而发生变化；步骤⑷连接光路，搭建传感系统；宽带光源发出的光经多模光纤传输进入镀有金膜的MMF‑TCF‑MMF结构，由该结构另一端出射的光再经多模光纤传输进入光谱仪；镀有金膜的MMF‑TCF‑MMF结构作为系统的SPR传感区；由于细芯光纤的芯径远小于普通多模光纤，当入射光由前一段多模光纤进入TCF时会激发出包层模式光，其中部分高阶包层模式光将到达细芯光纤与金膜的交界处，产生强的倏逝场和SPR效应，当传感区附近的折射率微小增加时，SPR谱的深度加深，并向长波方向呈现广度扩展(即SPR共振波长向长波移动)；同时，当入射光由前一段多模光纤进入TCF时激发出的低阶包层模式光，在细芯光纤的包层传输，不产生倏逝场和SPR效应，当它们再进入后一段多模光纤时，被激发的低阶包层模会和芯模发生干涉，形成多模的MZ干涉；由于低阶包层模与芯模发生的干涉不受外界折射率影响，只对温度敏感，当传感区附近的温度发生变化时，MZ干涉谱的干涉谷位置发生明显的变化，由此实现对环境温度的标定；通过标定SPR谱损耗能量的变化和MZ干涉谱的干涉谷波长，可以同时得到被测折射率的变化和环境温度，实现双参数测量；