[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

说明书

本发明专利提供了基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统，它包括光源、单模光纤、传感单元、光谱分析仪、光电转化器、信号处理模块和计算机。利用表面等离子体共振原理，通过一个特殊结构的光子晶体光纤的两个共振峰的间距来检测浓度与磁场，结果在计算机中显示。本发明由双峰灵敏度公式来取代传统的波长灵敏度的计算方法，提出的新的传感装置采用了双峰灵敏度的传感方法，具有灵敏度高、设计灵活、结构紧凑、稳定性强等优点，在生化分析物检测、水污染监控等实际使用的中具有更高的价值。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于近红外波段双峰PCF浓度与磁场双参量传感系统。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)存在于金属和介质(或空气)之间，利用全反射倏逝波激发表面等离子体极化激元(SPP)。SPR传感技术因其灵敏度高、无背景干扰、样品无标签、无需进一步纯化、实时快速检测等特点，已经成为监测分析物的折射率、过滤特定频率的光和检测纳米生物膜的形成的多功能工具。近年来，基于光子晶体光纤(PCF)的SPR传感器的概念已被提出。光子晶体光纤的特点是其设计的灵活性，因此可以通过不同的气孔布置来定制色散、双折射、非线性等。这些方面使得光子晶体光纤在许多领域特别引人注目，并在基于气体的非线性光学、原子和粒子制导、超高非线性、掺稀土激光和传感等领域有广泛的应用。PCF-SPR传感器可以实现等离子体模式和基模模式的完美匹配，因为基模的有效折射率可以设计为零到核心材料的折射率之间，在折射率检测方面具有很高的灵敏度和分辨率。克服了基于棱镜和传统光纤的SPR传感器体积大、传输损耗高、灵敏度低的缺点。目前PCF-SPR传感器的结构很多。

H.M.Huang等人(A Highly Magnetic Field Sensitive Photonic CrystalFiber Based on Surface Plasmon Resonance,2020,Sensors(Basel)20(18).)提出一种基于SPR的PCF磁场传感器，采用金属金作为SPR激发材料，空气孔布置为方形，形成两个两个纤芯A和B以传输光；但是磁流体材料选用气孔填充的方式，由于气孔为纳米量级，这会在制作上带来极大的难度；W.X.Zhang等人(Analysis of a magnetic field sensor basedon photonic crystal fiber selectively infiltrated with magneticfluids.Optical Fiber Technology 46:43-47.)提出的一种基于磁流体选择性填充光子晶体光纤的磁场传感器由三层空气孔组成，这些空气孔排列在正六边形晶格中，同样也是选择在其空中填充磁流体材料，进而增加了制作难度；待测液浓度的变化会引起待测液折射率的变化，进而影响共振损耗谱的偏移；N.Chen等人(N.Chen,M.Chang,X.L.Lu,J.Zhouand X.D.Zhang,Numerical Analysis of Midinfrared D-ShapedPhotonic-Crystal-Fiber Sensor based on Surface-Plasmon-Resonance Effect for EnvironmentalMonitoring,Applied Sciences,2020,10(11):3897)提出一种工作在近红外波段(2.9-3.6μm)、用于环境监测的基于SPR效应的D型PCF折射率传感器，分析物与金层直接接触，而且环绕整个D型PCF，而不是只接触抛光面，包层材料是硅，包层中的三层气孔按照六边形晶格排列；M.N.Sakib等人(M.N.Sakib,M.B.Hossain,K.F.Al-tabatabaie,I.M.Mehedi,M.T.Hasan,M.A.Hossain,I.S.Amiri,High Performance Dual Core D-Shape PCF-SPRSensor Modeling Employing Gold Coat,Results in physics,2019,15:102788)提出采用金涂层、固体双芯的D型PCF-SPR传感器，分析物折射率范围为1.45-1.48，两个固体纤芯与y轴对称，双芯能量与金属层能量耦合较困难，适用的探测范围较窄；S.Singh等人(S.Singh,Y.K.Prajapati,Highly sensitive refractive index sensor based on D-shaped PCF with gold-graphene layers on the polished surface,Applied PhysicsA,2019,125:437)提出一种在抛光表面涂有金和石墨烯层的D型PCF折射率传感器，在固体纤芯x方向放置两个大空气孔，研究x方向偏振光发生耦合时的限制损耗谱；沈涛等人(沈涛，王韶峰，张智文，梁涵，杨添宇，宋明歆，王东兴，一种基于SPR的D型光子晶体光纤温度传感装置及方法(CN202011302617.0)公开了一种可检测温度的D型PCF传感装置，涂覆Ag和Ta₂O₅薄膜，通过波长漂移来检测灵敏度。