本發(fā)明涉及離子體共振傳感技術領域，尤其涉及一種基于等離子體共振的光纖傳感器及裝置。

背景技術：

光纖傳感器是伴隨著光纖的出現(xiàn)和光纖通信的發(fā)展而產(chǎn)生的。它是以光為載體，以光纖為傳輸介質(zhì)，對被測參量實現(xiàn)傳感的器件。上世紀八十年代，低損耗石英光纖的拉制成功并進入商業(yè)化，使得光纖傳感技術顯示出了廣闊的應用前景。自此以后，對光纖傳感器的研究始終作為傳感器技術發(fā)展的前沿課題。上世紀九十年代后期，在光通信技術的帶動下光纖傳感技術呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展并逐漸應用到醫(yī)學和生物、國防和軍事、電力和能源、環(huán)境和化工、智能結(jié)構(gòu)五大領域。與光纖通信技術一起成為光纖技術的兩個重要應用領域。

目前，表面等離子體激元(surface plasmon polaritons，SPP)因其獨特的光學性質(zhì)，吸引了眾多研究者的關注，在光學傳感探測、納米光子學、近場光學等領域具有重要應用，形成了一系列新的熱點方向。表面等離子體共振(surface plasmon resonance，SPR)光學傳感器將光纖傳感器和表面等離子體有機的結(jié)合起來，具有靈敏度高、免標記、可實時檢測等突出優(yōu)點，在化學、生物、環(huán)境及醫(yī)藥等領域已展現(xiàn)出了廣闊的應用前景。尤其是近些年，隨著光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)技術的發(fā)展，為表面等離子體共振在光學傳感方面的應用提供了新的平臺，人們研究了各種類型的基于PCF的SPR傳感器，這些新型的傳感器大都具有結(jié)構(gòu)靈活、體積小、可集成、遙感等特點，應用潛力巨大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題在于針對現(xiàn)有技術中等離子體共振的光纖傳感器裝置表面等離子共振強度較弱，模式的分布較分散，不便于儀器的測量，靈敏度低，綜合性能較差的缺陷，提供一種易于探測，便于制造，靈敏度高，綜合性能更優(yōu)的基于等離子體共振的光纖傳感器及裝置。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發(fā)明提供一種基于等離子體共振的光纖傳感器，光纖內(nèi)設置有多層氣孔，多層氣孔包括由內(nèi)向外設置的中央氣孔、第一氣孔層、第二氣孔層和扇環(huán)形氣孔；第一氣孔層和第二氣孔層均包含多個獨立氣孔；其中：

中央氣孔設置在光纖的中心位置，第一氣孔層、第二氣孔層和扇環(huán)形氣孔均以中央氣孔為對稱中心呈中心對稱排列，且第一氣孔層和第二氣孔層均構(gòu)成六邊形的形狀，扇環(huán)形氣孔靠近中心的一側(cè)鍍有膜；中央氣孔和第二氣孔層內(nèi)注入空氣介質(zhì)，第一氣孔層內(nèi)注入金屬介質(zhì)，扇環(huán)形氣孔內(nèi)注入待檢測的液體介質(zhì)。

進一步地，本發(fā)明的中央氣孔設置有1個，其水平截面形狀為正方形、三角形、圓形、六邊形、五邊形、橢圓、梯形中任意一種。

進一步地，本發(fā)明的第一氣孔層設置有不少于6個氣孔，第二氣孔層設置有不少于12個氣孔。

進一步地，本發(fā)明的第一氣孔層和第二氣孔層中的氣孔的水平截面形狀為正方形、三角形、圓形、六邊形、五邊形、橢圓、梯形中任意一種。

進一步地，本發(fā)明的第一氣孔層注入的金屬介質(zhì)的材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。

進一步地，本發(fā)明的扇環(huán)形氣孔設置有2-6個，扇環(huán)形氣孔之間的間距相等，且間距所占的弧度小于扇環(huán)形氣孔所占弧度的五分之一。

進一步地，本發(fā)明的扇環(huán)形氣孔靠近中心一側(cè)的膜的材料為MgF₂。

本發(fā)明提供一種基于等離子體共振的光纖傳感器的裝置，包括：光源、耦合器、光纖、光譜數(shù)據(jù)采集單元和實時監(jiān)測單元；其中：

光源的輸出端與耦合器的輸入端相連，耦合器的輸出端與光纖相連；該光纖內(nèi)設置有多層氣孔，多層氣孔包括由內(nèi)向外設置的中央氣孔、第一氣孔層、第二氣孔層和扇環(huán)形氣孔；第一氣孔層和第二氣孔層均包含多個獨立氣孔；其中：中央氣孔設置在光纖的中心位置，第一氣孔層、第二氣孔層和扇環(huán)形氣孔均以中央氣孔為對稱中心呈中心對稱排列，且第一氣孔層和第二氣孔層均構(gòu)成六邊形的形狀，扇環(huán)形氣孔靠近中心的一側(cè)鍍有膜；中央氣孔和第二氣孔層內(nèi)注入空氣介質(zhì)，第一氣孔層內(nèi)注入金屬介質(zhì)，扇環(huán)形氣孔內(nèi)注入待檢測的液體介質(zhì)；光譜數(shù)據(jù)采集單元獲取通過光纖的光信號，并將光信號發(fā)送給實時監(jiān)測單元進行分析和監(jiān)測。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明的基于等離子體共振的光纖傳感器及裝置，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，易于制作，便于大量生產(chǎn)，并且可以在一定程度上促進傳感器的小型化；選擇扇環(huán)形氣孔作為樣品通道，能夠有效的解決樣品封裝的問題；在兩層空氣孔層中間加入的金屬氣孔層，有利于增大表面等離子體共振的強度，使模式分布更加集中，有效擴大了傳感器的探測范圍，能滿足更廣泛的應用需求。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明實施例的光纖傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1-中央氣孔，2-第一氣孔層，3-第二氣孔層，4-膜，5-扇環(huán)形氣孔，6-光纖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于等離子體共振的光纖傳感器，光纖6內(nèi)設置有多層氣孔，多層氣孔包括由內(nèi)向外設置的中央氣孔1、第一氣孔層2、第二氣孔層3和扇環(huán)形氣孔5；第一氣孔層2和第二氣孔層3均包含多個獨立氣孔；其中：

中央氣孔1設置在光纖6的中心位置，第一氣孔層2、第二氣孔層3和扇環(huán)形氣孔5均以中央氣孔1為對稱中心呈中心對稱排列，且第一氣孔層2和第二氣孔層3均構(gòu)成六邊形的形狀，扇環(huán)形氣孔5靠近中心的一側(cè)鍍有膜4；中央氣孔1和第二氣孔層3內(nèi)注入空氣介質(zhì)，第一氣孔層2內(nèi)注入金屬介質(zhì)，扇環(huán)形氣孔5內(nèi)注入待檢測的液體介質(zhì)。

中央氣孔1設置有1個，其水平截面形狀為正方形、三角形、圓形、六邊形、五邊形、橢圓、梯形中任意一種。本實施例優(yōu)選為圓形。

第一氣孔層2設置有不少于6個氣孔，第二氣孔層3設置有不少于12個氣孔。本實施例優(yōu)選為，第一氣孔層2設置有6個氣孔，第二氣孔層3設置有12個氣孔。

第一氣孔層2和第二氣孔層3中的氣孔的水平截面形狀為正方形、三角形、圓形、六邊形、五邊形、橢圓、梯形中任意一種。本實施例優(yōu)選為圓形。

第一氣孔層2注入的金屬介質(zhì)的材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。本實施例優(yōu)選為銀。

扇環(huán)形氣孔5設置有2-6個，扇環(huán)形氣孔5之間的間距相等，且間距所占的弧度小于扇環(huán)形氣孔5所占弧度的五分之一。本實施例優(yōu)選為，扇環(huán)形氣孔5設置有2個。

扇環(huán)形氣孔5靠近中心一側(cè)的膜4的材料為MgF₂。

如圖2所示，本發(fā)明實施例的基于等離子體共振的光纖傳感器裝置，包括：光源、耦合器、光纖6、光譜數(shù)據(jù)采集單元和實時監(jiān)測單元；其中：

光源的輸出端與耦合器的輸入端相連，耦合器的輸出端與光纖6相連；該光纖6內(nèi)設置有多層氣孔，多層氣孔包括由內(nèi)向外設置的中央氣孔1、第一氣孔層2、第二氣孔層3和扇環(huán)形氣孔5；第一氣孔層2和第二氣孔層3均包含多個獨立氣孔；其中：中央氣孔1設置在光纖6的中心位置，第一氣孔層2、第二氣孔層3和扇環(huán)形氣孔5均以中央氣孔1為對稱中心呈中心對稱排列，且第一氣孔層2和第二氣孔層3均構(gòu)成六邊形的形狀，扇環(huán)形氣孔5靠近中心的一側(cè)鍍有膜4；中央氣孔1和第二氣孔層3內(nèi)注入空氣介質(zhì)，第一氣孔層2內(nèi)注入金屬介質(zhì)，扇環(huán)形氣孔5內(nèi)注入待檢測的液體介質(zhì)；光譜數(shù)據(jù)采集單元獲取通過光纖6的光信號，并將光信號發(fā)送給實時監(jiān)測單元進行分析和監(jiān)測。

在本發(fā)明的另一個具體實施例中，基于等離子體共振的光纖傳感器裝置，包括：光源、耦合裝置、光纖、光譜儀，所述光纖在纖芯設有多個氣孔，纖芯中央的氣孔由一個中央氣孔構(gòu)成，在纖芯的中部位置，由第一氣孔層2和第二氣孔層3構(gòu)成，且氣孔的數(shù)目分別為六和十二，第一氣孔層2和第二氣孔層3的介質(zhì)分別為金屬和空氣，且兩層氣孔層均構(gòu)成六邊形的形狀，在纖芯外側(cè)，由兩個扇環(huán)形氣孔5構(gòu)成，扇環(huán)形氣孔靠近纖芯中央位置一側(cè)鍍有膜4，膜的材料為MgF₂。

以樣品的折射率檢測為具體實施例。若待測樣品采用某水溶液，折射率一般為1.30～1.35，目標參量為樣品的折射率。光纖背景材料為石英玻璃，利用光纖開孔技術，在光纖邊緣位置打孔，使待測樣品流過扇環(huán)形大孔后，纖芯傳導模和等離子體波耦合，進而引起損耗峰值的變換，從而完成利用共振耦合效應完成待測樣品折射率的等物理量的實時監(jiān)控。

光源根據(jù)損耗峰值的變化合理選取，耦合裝置由一系列的耦合光纖透鏡及顯微鏡組成，其作用將光源最大限度的耦合到光纖中去，待測液體流過光纖，通過光譜儀的數(shù)據(jù)得出損耗峰的變化傳感微流體的折射率變化等參數(shù)。

本發(fā)明中，通過在光纖內(nèi)部開了三層空氣孔，在第二層空氣孔中注入金屬，其他兩層為空氣，這種內(nèi)部的光纖的設計加強了表面等離子體共振的強度；在光纖的外部開扇環(huán)形孔，有利于待測的注入，在一定程度上實現(xiàn)了光纖的多次循環(huán)利用。整體的結(jié)構(gòu)也起到了簡化制作的問題，提高了光纖傳感器裝置的靈敏度，實現(xiàn)了綜合性能的提高。

本發(fā)明的光纖傳感器和裝置，通過對光纖的結(jié)構(gòu)合理的結(jié)構(gòu)設計和材料選擇，解決了或部分解決了現(xiàn)有技術中的等離子體共振的光纖傳感器裝置能量損耗大，模式的分布較分散，封裝難度大，靈敏度低，制造難度大，綜合性能較差的技術問題，實現(xiàn)了能量損耗小，可易于制造，靈敏度高，綜合性能更優(yōu)的光纖傳感器裝置。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。