[发明专利]基于近红外双峰PCF折射率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双峰PCF折射率与磁场双参量传感系统，它包括近红外光源、单模光纤、传感单元、光谱分析仪、光电转化器、解调模块和PC终端。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折射率与磁场，结果在PC端中显示。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，在医学领域、生化分析物检测、水污染监控等实际使用的中具有很高的价值。

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双峰PCF折射率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。

Wu T等人(Wu T,Shao Y,Wang Y,et al.Surface plasmon resonance biosensorbased on gold-coated side-polished hexagonal structure photonic crystal fiber[J].Optics express,2017,25(17):20313-20322.)提出一种基于镀金边抛光六边形结构光子晶体纤维的表面等离子体共振生物传感器，采取金属Au作为SPR激发材料，Au下方为一D型光子晶体光纤，气孔直径为3.6μm，气孔间距为7.9μm，包层直径为125μm，折射率测量范围为1.41-1.44。当PCF材料折射率为1.36时，此传感器的灵敏度达到了21700nm/RIU，但此传感器无法满足双参量测量，并且折射率测量范围过窄；Wang G等人(Wang G,Lu Y,DuanL,et al.Arefractive index sensor based on PCF with ultra-wide detection range[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2020,27(4):1-8.)提出一种基于PCF的具有超宽检测范围的折射率传感器，同样采取金属金作为SPR激发材料，其中光子晶体光纤气孔呈三角形的晶格排列，其直径为0.6μm，气孔间距为2.0μm，包层直径为15μm，在光子晶体光纤中心气孔中填充待测液，在第二层六边形气孔y轴方向上方和下放气孔对称填充金属金材料，其折射率探测范围可从1.29-1.49，具有很宽的探测范围，但折射率处于1.49RI时损耗峰不明显，其平均波长灵敏度和振幅灵敏度分别为-4156.82nm/RIU和-3703.64nm/RIU，虽然折射率监测范围较宽，但此传感器的灵敏度较低，且无法进行双参量测量；Zhang W等人(Zhang W,Chen H,Liu Y,et al.Analysis of a magnetic fieldsensor based on photonic crystal fiber selectively infiltrated with magneticfluids[J].Optical Fiber Technology,2018,46:43-47.)提出一种基于SPR的PCF磁场传感器，采用磁流体(MFs)作为填充材料，纤芯的左右两侧由两个较大的圆形气孔组成，上下两侧由四个较小的圆形气孔组成，有利于增强双折射，所测量的磁场范围为30-130Oe；DashJN等人(Dash JN,Das R.SPR based magnetic-field sensing in microchannelled PCF:a numerical approach[J].Journal ofOptics,2018,20(11):115001.)提出了一种具有微通道的侧面抛光光子晶体光纤，除两个较大的孔外，其余孔的直径为1.8μm，间距为Λ＝4.4μm，较大的两个用于双折射的孔直径为4.5μm，微通道通过PCF暴露在高强度高斯光束中实现，在微通道中涂覆氧化铟锡(ITO)来激发SPR效应，在微通道中填充磁流体材料，其灵敏度分别564pm/Oe，分辨率为0.177Oe和0.552Oe，其PCF制备过程较为复杂，仅进行了数值的理论分析，且高强度高斯光束制造出的PCF误差范围较大；常规酸液刻蚀过程中，刻蚀液的毒性和危害性限制了MXenes的大规模生产和应用，Sun Z等人(Sun Z,Yuan M,Lin L,etal.Selective lithiation-expansion-microexplosion synthesis of two-dimensionalfluoride-free Mxene[J].ACS Materials Letters,2019,1(6):628-632.)开发了一种简单有效的无氟制备方法，来选择性地腐蚀传统锂离子电池系统中Ti₃AlC₂的铝层，制备出了单层或少层的MXene纳米片，这种方法具有较高的产出率，此外，该刻蚀过程是在没有含氟的试剂中进行，主要试剂是水，有效避免了有毒液体的引入。所制备的MXenes的性能优于几乎所有报道的MXenes材料；Sakib M N等人(Sakib M N,Hossain M B,Al-tabatabaie K F,et al.High performance dual core D-shape PCF-SPR sensor modeling employinggold coat[J].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；沈涛等人(沈涛、刘驰、陈姣姣等，CN202011298518X，一种监测磁场和温度的双参量光纤传感装置及实现方法。)公开了一种监测磁场和温度的双参量光纤传感装置及实现方法，其中通过光纤进行传感，利用法珀腔原理，使光源发出的光在法珀腔中产生干涉光谱，通过对干涉光谱的检测，测量磁场和温度；以及沈涛等人(沈涛、张智文、王韶峰等，CN2020112985743，基于SPR的D型光子晶体光纤磁场敏感传感装置及方法。)公开了一种基于SPR的D型光子晶体光纤磁场敏感传感装置及方法，其中光子晶体光纤被设计为半剖面D型结构，涂敷的敏感材料为银掺杂氧化锌薄膜，通过计算波长漂移来检测磁场变化以及灵敏度。