[发明专利]基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统

权利要求书

1.基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统，其特征在于：由光源(1)、单模光纤(2)、传感单元(3)、传感单元(4)、光谱分析仪(5)、光电转化器(6)、信号处理模块(7)和计算机(8)组成；

所述传感单元(3)为光子晶体光纤(3-1)；由包层(3-2)、银膜(3-6)和分析液(3-7)构成，其中包层(3-2)包括10个圆形空气孔(3-3)、12个圆形空气孔(3-4)、3个圆形空气孔(3-5)；其特征在于：空气孔(3-3)关于光纤y轴对称排列；空气孔(3-4)位于空气孔(3-3)与空气孔(3-5)之间；空气孔(3-5)位于包层(3-2)最内层，呈三角形排列；银膜(3-6)在包层(3-2)与分析液(3-7)交界处；

所述的传感单元(3)，其特征在于：包层(3-2)内空气孔间距Λ为2μm，包层(3-2)直径为15μm，空气孔(3-3)直径为1.5μm，空气孔(3-4)直径为0.6μm，空气孔(3-5)直径为2μm；银膜(3-6)厚度为40nm；

所述的传感单元(4)为光子晶体光纤(4-1)；由包层(3-2)、银膜(4-5)、石墨烯层(4-6)和分析液(4-4)构成；其中包层(3-2)由8个圆形空气孔(4-2)、7个圆形空气孔(4-3)构成；其特征在于：空气孔(4-2)和空气孔(4-3)关于光纤y轴对称排列；空气孔(4-2)在光纤的最外层呈半六边形排列，内层空气孔(4-3)呈六边形排列，其中间部分为光纤纤芯部分；

所述的传感单元(4)，其特征在于：光子晶体光纤(4-1)的空气孔间距Λ为1.5μm，光子晶体光纤(4-1)的直径为6μm，空气孔(4-2)的直径为0.9μm，空气孔(4-3)的直径为0.8μm，银膜(4-5)厚度为30nm，石墨烯层(4-6)的厚度为1.0nm，石墨烯层数为3层；包层材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义；

其中λ是光波的波长，参数a₁＝0.6961663，a₂＝0.4079426，a₃＝0.8974794，b₁＝0.0684043um，b₂＝0.1162414um，b₃＝9.896161um，因此可以计算PCF传输模式的色散；

所述的银膜(3-6)和银膜(4-5)利用射频磁控溅射方法涂覆；采用堆叠-拉丝技术制备光子晶体光纤(3-1)和光子晶体光纤(4-1)，光子晶体光纤(3-1)和光子晶体光纤(4-1)的长度为20mm，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1900℃-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；

所述分析液(3-7)为待测液，待测液浓度的变化会改变待测液的折射率，从而影响共振峰的偏移量，而所述分析液(4-4)为磁流体(MFs)，所使用的磁流体类型为水基Fe₃O₄磁流体，采用解胶法来制备该磁流体，其过程是铁盐或亚铁盐在化学作用下产生Fe₃O₄或Fe₂O₃，然后加分散剂和载体并加以搅拌，使其磁性颗粒吸附其中，最后加热后将胶体和溶液分开，得到磁流体，磁场强度(H)的变化会改变(MFs)的折射率，所以可以达到双参量测量的目的；MFs的折射率服从Langevin函数：

其中，n_m是水基四氧化三铁磁流体(MFs)能达到的最大折射率值，ni是外磁场的原始折射率，H_c,n是临界磁场强度，α_MF是设定参数，n表示水基四氧化三铁磁流体(MFs)的折射率随外界磁场强度的变化而变化的值，H为磁场强度，T为温度；磁场的变化会改变水基四氧化三铁磁流体(MFs)的折射率；

所述光源(1)输出750-2000nm波段的光信号；

所述的基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统，其特征在于：光源(1)发射光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)和传感单元(4)，传感单元(3)和传感单元(4)输出至光谱分析仪(5)与光电转化器(6)，光电转化器(6)将光信号转化为电信号输出到信号处理模块(7)，最终在计算机(8)中显示；

所述的光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)和传感单元(4)，其特征在于：银膜(3-6)和银膜(4-5)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)对介质环境十分敏感，分析液(3-7)与分析液(4-4)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；

所述的基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统，其特征在于：由光源(1)发出光信号，经单模光纤(2)传输至传感单元(3)和传感单元(4)，当分析液(3-7)和分析液(4-4)折射率改变时，光子晶体光纤(3-1)和光子晶体光纤(4-1)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，在光谱分析仪(5)中显示的两个峰的距离Δλ_peak发生明显的改变，当分析液(3-7)或分析液(4-4)的折射率增大时，两个峰的距离减少，当分析液(3-7)或分析液(4-4)的折射率减少时，两个峰的距离增加；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 (3)

式中Δλ_peak为同一折射率下的两个损耗峰的波长差值，Δn_a为浓度/磁场的变化量，Δλ_peak2-Δλ_peak1为两种不同浓度和磁场状态下的两个峰的波长距离的差值，s为双峰的灵敏度；其中Δλ_peak的大小与传感单元(3)和传感单元(4)所处的浓度和磁场状态对应；传感单元(3)或传感单元(4)将携带Δλ_peak数值的光信号传输至光电转化器(6)，光电转化器(6)将光信号转化为电信号输出至信号处理模块(7)，最终在计算机(8)中显示分析液(3-7)和分析液(4-4)的信息；

所述的基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统，其特征在于：在同时测量磁场与浓度时需要用以下公式进行计算：

式(4)中Δλ₁为浓度和磁场改变前两峰间距的变化量，Δλ₂为浓度和磁场改变后两峰间距的变化量，S_n与S_B分别为浓度与磁场的灵敏度，Δλ_peak2-Δλ_peak1为两种不同浓度和磁场状态下的两个峰的波长距离的差值，Δn与ΔB分别为浓度与磁场的变化量，进而从公式(5)可得出浓度与磁场的变化量。