一种可同时测量双参数的光纤传感器的制作方法

1.本发明涉及光纤表面等离子体共振传感技术领域，特别涉及到一种可同时测量双参数的光纤传感器。


背景技术：

2.表面等离子体共振(surface plasma resonance，spr)传感器由于其优异的传感性能、广泛的应用场景和较低的样品要求，近年来受到越来越多的关注。spr效应是指电子集体震荡引起的一种现象，当满足spr效应的相位匹配条件时，入射光的能量与表面等离子体波(surface plasmon wave，spw)耦合，导致共振波长处的光损耗急剧增加。随着光子晶体光纤(pohotonic crystal fiber，pcf)的发展，其优异的结构可控性和波导特性使得基于spr的pcf在生物医学和化学传感具有巨大的潜力。
3.随着对spr-pcf传感器研究的深入，单一参数测量的传感器已经不能满足人们的需求。2017年，hu等人提出一种d型spr-pcf传感器，用于测量折射率与温度。通过d型表面涂覆金膜，并在纤芯附近填充氯仿，实现在折射率范围1.33-1.36与温度范围20-60℃下，最大灵敏度达到2400nm/riu与2nm/℃。2021年，chen等人设计了一种d型spr-pcf传感器，通过表面涂覆金膜与填充乙醇，实现在折射率范围1.35-1.40与温度范围20-60℃下，平均灵敏度达到3940nm/riu与1.075nm/℃。
4.然而，现有的spr-pcf传感器结构复杂，不易制备，且灵敏度不高，以及通过不同偏振态来区分不同参量传感，很难实现真正意义上多个参数的同时测量。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可同时测量双参数的光纤传感器，能够解决上述提到的至少一个技术问题。具体方案如下：
6.本发明提供一种可同时测量双参数的光纤传感器，包括：基底材料、布设在所述基底材料上的包层和纤芯、以及涂覆于所述包层外壁的第一金膜；所述纤芯中心处布设有一个第一空气孔，该第一空气孔的内壁涂覆有第二金膜；所述包层由至少两层空气孔组构成，每层空气孔组包括多个第二空气孔，所述多个第二空气孔沿所述第一空气孔的周向间隔设置，呈矩形排列，所述第二空气孔孔径与所述第一空气孔孔径相同；所述至少两层空气孔组沿光纤的径向且远离所述纤芯的方向依次分布，其中，在所述第一空气孔所在的x方向或y方向上，位于所述包层最外层的空气孔组缺失一个第二空气孔，且位于所述包层最里层的空气孔组的一个第二空气孔内填充有温敏材料，且填充温敏材料的第二空气孔与缺失的第二空气孔不相邻。
7.在一些可选的实施例中，所述包层内相邻两个所述第二空气孔的间距等于所述纤芯内第一空气孔与相邻所述第二空气孔的间距。
8.在一些可选的实施例中，所述第一空气孔和第二空气孔的孔径范围分别为1.5μm～1.7μm。
9.在一些可选的实施例中，所述包层内相邻两个所述第二空气孔的间距为2.5μm～3.5μm。
10.在一些可选的实施例中，所述第一金膜以及第二金膜的厚度范围分别为40nm～60nm。
11.在一些可选的实施例中，所述包层包括沿光纤的径向且远离所述纤芯的方向依次分布的第一空气孔组及第二空气孔组，所述第一空气孔组包括8个间隔设置的所述第二空气孔，所述第二空气孔组包括16个间隔设置的所述第二空气孔，其中，所述第一空气孔组中位于所述第一空气孔所在y方向上且位于所述第一空气孔下方的一个第二空气孔填充有温敏材料；所述第二空气孔组中位于所述第一空气孔所在x方向上且位于所述第一空气孔右侧的一个第二空气孔缺失。
12.在一些可选的实施例中，所述第二空气孔组中位于四个顶角的四个所述第二空气孔缺失。
13.在一些可选的实施例中，所述温敏材料为折射率随着温度变化而变化的材料，满足公式：
14.n
l
＝1.454-3.9
×
10-4
×
(t-25)，
15.其中，n
l
为所述温敏材料的当前折射率，t为所述温敏材料的当前温度。
16.在一些可选的实施例中，当待测液体分析物折射率在1.35-1.41范围内时，平均灵敏度达到6317nm/riu。
17.在一些可选的实施例中，当待测液体分析物的温度在20℃-60℃范围内时，平均灵敏度2.8nm/℃。
18.本发明实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：
19.(1)本发明提供的光纤传感器，通过波长范围区分传感参数，减小了由于不同偏振态带来的串扰问题，并且真正意义上实现了同时测量。具体采用填充有温敏材料的空气孔以及缺失的空气孔，使填充有温敏材料的空气孔处的芯模a与空气孔内壁金膜的spp模发生耦合，测量待测液体分析物的温度，同时使缺失的空气孔处的芯模b与外层金膜的spp模发生耦合，测量待测液体分析物的折射率；
20.(2)本发明提供的光纤传感器在实现双参数同时测量且互补干扰的情况下，能够提高测量温度与折射率的灵敏度。
21.(3)本发明提供的光纤传感器结构简单，易于制作，材料成本低。
附图说明
22.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
23.图1示出了本发明实施例提供的一种光纤传感器的截面示意图；
24.图2示出了通过仿真软件建立的光纤传感器测量待测液体分析物模型的截面示意图；
25.图3示出了本发明实施例在待测液体分析物折射率为1.41，温度为20℃时，温度传
感处于共振波长下的模场示意图，图中箭头代表电场的方向；
26.图4示出了本发明实施例在液体分析物折射率为1.41，温度为20℃时，折射率传感处于共振波长下的模场示意图，图中箭头代表电场的方向；
27.图5示出了本发明实施例光纤传感器的温度与限制损耗的第一标准关系曲线；
28.图6示出了本发明实施例光纤传感器的折射率与限制损耗的第二标准关系曲线；
29.图7示出了本发明实施例光纤传感器在温度处于20℃以及60℃不变的情况下改变外界折射率的第一标准关系曲线；
30.图8示出了本发明实施例光纤传感器在折射率为1.35以及1.41不变的情况下改变温度的第二标准关系曲线。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
33.应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
34.应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但不应限于这些术语。
35.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
36.下面结合一个可选实施例，对本发明涉及到的内容进行详细说明。
37.本发明提供一种可同时测量双参数的光纤传感器，图1是根据本发明实施例提供的可同时测量双参数的光纤传感器的截面示意图。如图1所示，所述可同时测量双参数的光纤传感器100，包括：基底材料1、布设在所述基底材料上的包层2和纤芯3、以及涂覆于所述包层外壁的第一金膜4；
38.所述纤芯3中心处布设有一个第一空气孔31，该第一空气孔的内壁涂覆有第二金膜32；
39.所述包层2由至少两层空气孔组构成，每层空气孔组包括多个第二空气孔21，所述多个第二空气孔21沿所述第一空气孔31的周向间隔设置，呈矩形排列，所述第二空气孔21孔径与所述第一空气孔31孔径相同；
40.所述至少两层空气孔组沿光纤的径向且远离所述纤芯的方向依次分布，其中，
41.在所述第一空气孔31所在的x方向或y方向上，位于所述包层最外层的空气孔组缺失一个第二空气孔21，且位于所述包层最里层的空气孔组的一个第二空气孔21内填充有温敏材料，且填充温敏材料的第二空气孔与缺失的第二空气孔不相邻。
42.所述光纤的基底材料为二氧化硅，其折射率可根据sellmeier方程算出。所述光纤的直径根据实际需要进行选择。本实施例中，所述光纤的直径为10μm。
43.其中，所述第一金膜与第二金膜由金属中金元素涂覆而成，金元素作为常用的等离子体材料，其相对介电常数可以由lorentz-drude模型得出，由于第一金膜和第二金膜发生表面等离子体共振效应最稳定，所述光纤传感器传感效果更好。所述第一金膜与第二金膜的厚度范围分别为40nm～60nm。本实施例中，所述第一金膜与第二金膜的厚度均为50nm。
44.所述纤芯包括一个第一空气孔，该第一空气孔沿所述光纤轴向贯穿设置且位于所述纤芯的中心处，所述纤芯中心处是指所述光纤中心轴所在位置。所述第一空气孔内壁涂覆有所述第二金膜且孔内填充有空气。所述第一空气孔的形状可以为椭圆形、圆形等形状，在此不作限制。本实施例中，所述第一空气孔的形状为圆形，方便制作传感器，工艺简单。
45.本发明中，以所述纤芯中心为原点建立x-y直角坐标系，所述x方向为所述x-y坐标系中x轴所在方向，所述y方向为所述x-y坐标系中y轴所在方向。
46.所述包层内空气孔组的数量、相邻两个第二空气孔之间的间距，每个第二空气孔的孔径等参数具体不作限制，只需确保填充有温敏材料的空气孔处芯模a与第二金膜产生的spp模能够发生耦合，同时缺失空气孔处的芯模b与第一金膜产生的spp模能够发生耦合即可。
47.可选的，所述包层内相邻两个所述第二空气孔的间距等于所述纤芯内第一空气孔与相邻所述第二空气孔的间距。所述包层内相邻两个所述第二空气孔的间距范围为2.5μm～3.5μm。本实施例中，所述相邻两个所述第二空气孔的间距为3μm。
48.可选的，所述第一空气孔和第二空气孔的孔径范围分别为1.5μm～1.7μm。本实施例中，所述第一空气孔与第二空气孔的孔径均为1.6μm。
49.通过将所述相邻两个所述第二空气孔的间距设置为3μm，所述第一空气孔与第二空气孔的孔径设置为1.6μm，以及将所述第一金膜与第二金膜的厚度设置为50nm，能够进一步提高所述光纤传感器的传感效果，增大温度灵敏度及折射灵敏度。
50.可选的，所述包层包括沿光纤的径向且远离所述纤芯的方向依次分布的第一空气孔组及第二空气孔组。本实施例中，所述第一空气孔组及第二空气孔组分别在所述第一空气孔外周呈正方形排列，所述第一空气孔组包括8个间隔设置的所述第二空气孔，所述第二空气孔组包括16个间隔设置的所述第二空气孔。
51.其中，温敏材料填充于第一空气孔组内的一个第二空气孔内，缺失的第二空气孔为第二空气孔组内的一个空气孔，但是所述填充温敏材料的第二空气孔的位置与缺失的第二空气孔的位置具体不做限制，只要是能够确保所述填充温敏材料的第二空气孔与缺失的第二空气孔之间不发生耦合即可。可选的，当缺失的空气孔位于x方向上所述第一空气孔右侧时，所述温敏材料可以填充于x方向上所述第一空气孔左侧、y方向上所述第一空气孔的下方或上方中任意一个空气孔内。本实施例中，所述第一空气孔组中位于所述第一空气孔所在y方向上且位于所述第一空气孔下方的一个第二空气孔填充有温敏材料；同时所述第二空气孔组中位于所述第一空气孔所在x方向上且位于所述第一空气孔右侧的一个第二空
气孔缺失。
52.在其它可选的实施例中，当缺失的空气孔位于y方向上所述第一空气孔上方时，所述温敏材料可以填充于y方向上所述第一空气孔的下方、x方向上所述第一空气孔的左侧或右侧的任意一个空气孔内。
53.在其它可选的实施例中，当缺失的空气孔位于x方向上所述第一空气孔左侧时，所述温敏材料可以填充于y方向上所述第一空气孔的上方或下方、x方向上所述第一空气孔右侧的任意一个空气孔内。
54.在其它可选的实施例中，当缺失的空气孔位于y方向上所述第一空气孔下方时，所述温敏材料可以填充于y方向上所述第一空气孔的上方或下方、x方向上所述第一空气孔左侧或右侧的任意一个空气孔内。
55.可选的，所述包层最外层的空气孔组的四个顶角的四个第二空气孔可以缺失，这样能够进一步减小耦合距离，使缺失的第二空气孔与第一金膜更容易发生耦合。本实施例中，所述第二空气组内四个顶角的四个第二空气孔缺失，所述第二空气组包括11个第二空气孔。
56.其中，所述温敏材料为折射率随着温度变化而变化的材料，具体满足如下公式：
57.n
l
＝1.454-3.9
×
10-4
×
(t-25)
……
(1)
58.其中，n
l
为所述温敏材料的当前折射率，t为所述温敏材料的当前温度。
59.在根据上述结构制作出所述光纤传感器后，进一步采用波长调制法，利用基于全矢量有限元法(finite element method，fem)，对上述所设计的实验模型进行数值仿真，在各向异性完美匹配层(pml)边界条件的配合下，求解模场的有效折射率，然后根据模场损耗公式，得到不同波长与限制损耗值(confinement loss，cl)的关系，图2示出了通过仿真软件建立的光纤传感器测量待测液体分析物模型的截面示意图，图3和图4示出了通过软件仿真出所需的模场图。其中，具体工作原理包括：
60.当第一空气孔内第二金膜产生spr效应时，能量从填充有温敏材料的空气孔芯模a泄漏至第一空气孔表面等离子体极化模(surface plasmon polariton，spp)，基于spr效应实现了纤芯能量转移，在检测端主要体现为spr的吸收峰峰值急剧增大，如图3所示。当芯模a与spp模的有效折射率实部相等时，能量泄露至顶峰，此时的波长为共振波长。由于芯模a受温敏材料的影响，随着温度的变化共振波长也发生变化。通过测量共振波长的移动，从而计算出此时液体分析物温度的变化。
61.当涂覆于包层外壁的第一金膜同时产生spr效应时，能量从缺失的空气孔芯模b泄漏至第二金膜表面等离子体极化模(spp)，基于spr效应实现了纤芯能量转移，在检测端主要体现为spr的吸收峰峰值急剧增大，如图4所示。当芯模b与spp模的有效折射率实部相等时，能量泄露至顶峰，此时的波长为共振波长。由于芯模b受外界液体分析物折射率的影响，随着折射率的变化共振波长也发生变化。通过测量共振波长的移动，从而计算出此时液体分析物折射率的变化。
62.具体仿真过程包括：设置所述待测液体分析物的温度为一目标温度，该目标温度为20℃-60℃内任意一个温度，可选的，所述目标温度可以为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃中任意一个温度。本实施例中，依次设置所述待测液体分析物的温度为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，从而得到该目标温度下光纤传感器在不同波长时芯模a的
有效折射率，之后根据公式(2)计算限制损耗，公式(2)如下：
[0063][0064]
其中，k0为自由空间波数，neff为芯模的复有效折射率。
[0065]
根据计算得到的不同光波波长下的限制损耗，得到当前温度下波长与限制损耗的第一标准关系曲线，图5分别示出了目标温度依次为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃时对应的第一标准关系曲线。当然，所述第一标准关系曲线可以包括一条或者多条，一个目标温度对应一条。
[0066]
由图5可以看出，当检测温度时，随着液体分析物的温度升高，温敏材料的折射率会降低，导致芯模a的损耗谱发生红移，共振峰强度逐渐减小，相应的共振波长从1413nm变化到1525nm，进一步根据公式(3)可得所述光纤传感器的温度平均灵敏度为2.8nm/℃，其中，所述公式(3)如下：
[0067][0068]
其中，表示温度平均灵敏度，δλ
peak
表示待测液体分析物共振波长的变化，δt表示待测液体分析物中共振波长的变化对应的温度变化，例如δt可以为20℃到30℃的变化或20℃到60℃的变化等任意两个温度之间的变化。
[0069]
在设置目标温度的同时，设置所述待测液体分析物的折射率为一目标折射率，该目标折射率为1.35-1.41范围内任意一个数值，本实施例中所述目标折射率为1.35、1.36、1.37、1.38、1.39、1.40、1.41中任意一个数值，从而得到该目标折射率下光纤传感器在不同波长下芯模b的有效折射率，并根据上述公式(2)计算出对应的限制损耗，之后根据不同波长对应的限制损耗得到当前折射率下波长与限制损耗的第二标准关系曲线，图6分别示出了目标折射率依次为1.35、1.36、1.37、1.38、1.39、1.40、1.41时对应的第二标准关系曲线。当然，所述第二标准关系曲线可以包括一条或者多条，一个目标折射率对应一条。
[0070]
由图6可以看出，当待测液体分析物折射率从1.35变化到1.41，共振波长发生红移，随着液体分析物折射率的增大，共振峰强度先增大后减小，相应的共振波长从640nm变化到1019nm，进一步根据公式(4)可得到所述光纤传感器的折射率平均灵敏度为6317nm/riu。其中，所述公式(4)如下：
[0071][0072]
其中，表示折射率平均灵敏度，δλ
peak
表示待测液体分析物共振波长的变化，δna表示待测液体分析物中共振波长的变化对应的折射率的变化。进一步，通过计算相近区间折射率的变化可以得到最大折射率灵敏度，例如，相近区间为1.351～1.353。
[0073]
由图5与图6可知，本发明实施例在进行温度与折射率传感时，各自工作波长不同且不相交，这说明了本实施例可以同时对液体分析物进行温度与折射率的测量。
[0074]
进一步，测量待测液体分析物温度为20℃，折射率为1.35和1.41时分别对应的第一标准关系曲线；以及测量待测液体分析物温度为60℃，折射率为1.35和1.41时分别对应的第一标准关系曲线，如图7所示。从图7可以看出，当温度分别处于20℃与60℃时，改变待
测液体的折射率，损耗峰几乎没有变化。
[0075]
进一步，测量待测液体分析物折射率为1.41时，温度为20℃和60℃时分别对应的第二标准关系曲线；以及测量待测液体分析物折射率为1.35，温度为20℃和60℃时分别对应的第二标准关系曲线，如图8所示。从图8可以看出，当待测液体分析物折射率分别处于1.41与1.35时，改变外界温度，损耗峰几乎没有发生变化。
[0076]
由图7与图8综合可知，本发明提供的光纤传感器在检测温度与折射率时是互不干扰的。
[0077]
本发明提供的光纤传感器(spr-pcf)，通过波长范围区分传感参数减小了由于不同偏振态带来的串扰问题，并且真正意义上实现了同时测量；第二，在实现双参数同时测量且互补干扰的情况下，温度与折射率的灵敏度远高于同类型传感器；第三，本发明通过理论仿真实现了双参数同时测量且互不干扰的spr-pcf传感器的传感要求，且基于现有的光纤拉制技术以及镀膜与填充技术，该传感器在实际制造中也可实现，且结构简单，易于制备；第四，在检测待测液体分析物折射率处于1.35-1.41范围内时，折射率平均灵敏度可以达到6317nm/riu，折射率最大灵敏度达到15400nm/riu；和/或当所述待测液体分析物的温度在20℃-60℃范围内时，温度平均灵敏度达到2.8nm/℃。
[0078]
实施例2
[0079]
基于上述结构的光纤传感器，当待测液体分析物随测试需求更改时，光纤传感器探头由于采用的外表层反应设计，无需进行更换，可直接实时检测到溶液折射率与温度的动态变化。具体的，本实施例提供一种利用上述光纤传感器检测待测液体分析物不同参数的方法，具体包括：
[0080]
s10，获取待测液体分析物对应的第一标准关系曲线及第二标准关系曲线；
[0081]
在该步骤中，对所述待测液体分析物进行数值仿真计算，得到所述第一标准关系曲线及第二标准关系曲线。其中，所述第一标准关系曲线为在已知温度下，测量得到的芯模a在不同波长下限制损耗值与波长的对应关系图；所述第二标准关系曲线为在已知折射率的情况下，测量得到的芯模b在不同波长下限制损耗与波长的对应关系图，具体仿真计算方法参阅实施例1中记载的内容，在此不再赘述。
[0082]
s20，获取所述待测液体分析物对应的第一实际关系曲线及第二实际关系曲线；
[0083]
在该步骤中，在上述实施例设计的光纤传感器100的两端通过单模光纤分别接入宽带光源(图中未示)及光谱分析仪(图中未示)，将所述光纤传感器直接放入待测液体分析物中。所述宽带光源用于产生连续探测信号光，光谱分析仪主要用于检测芯模能量的变化。
[0084]
高能量超连续谱宽带光源产生的连续探测信号光，经由单模光纤传输，光纤探头置于检测容器内，容器内充满待测液体分析物，光纤探头内带有待测液体信息的光信号，经过光纤探头尾端跳线传输至光谱分析仪内。通过光谱分析仪检测得到所述待测液体分析物的第一实际关系曲线及第二实际关系曲线，其中，所述第一实际关系曲线为所述待测液体分析物在当前温度下不同波长与限制损耗值之间的关系；所述第二实际关系曲线为所述待测液体分析物在当前折射率下不同波长与限制损耗值之间的关系。
[0085]
s30，将所述第一实际关系曲线与所述第一标准关系曲线进行比对，得到所述待测液体分析物的当前温度；并将所述第二实际关系曲线与所述第二标准关系进行比对，得到所述待测液体分析物的当前折射率。
[0086]
在该步骤中，从第一实际关系曲线中找到实际共振峰及对应的波长，从至少一条第一标准关系曲线中找到与所述实际共振峰一致的目标曲线，也就是说共振峰对应的波长相同，进一步获取该目标曲线所对应的温度，即得到待测液体分析物的当前温度。
[0087]
同时，从第二实际关系曲线中找到实际共振峰及对应的波长，从至少一条第二标准关系曲线中找到与所述实际共振峰一致的目标曲线，进一步获取该目标曲线所对应的折射率，即得到待测液体分析物的当前折射率。
[0088]
可以理解为，通过将实际关系曲线与标准曲线对比，在多条标准曲线中找到与实际关系曲线中共振峰对应的波长相同的曲线，即可得待测液体分析物的当前温度和/或折射率。
[0089]
本发明提供的光纤传感器在所述传感器的外部加载液体分析物，通过内外金膜在不同的波长条件下发生spr效应，分别对应着温度与折射率的传感，在此条件下，通过测量对应波长下共振峰位置的偏移便可分别解调出温度与折射率的变化；且在此过程中，温度与折射率的传感可同时进行且互不干扰。
[0090]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
[0091]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。