一种结构极简的高敏劈尖形SMF-SPR气体传感器

一种结构极简的高敏劈尖形smf-spr气体传感器
技术领域
1.本发明涉及一种气体传感器，具体涉及一种结构极简的高敏劈尖形smf-spr气体传感器。


背景技术：

2.随着纳米技术的长足发展，表面等离子体共振(surface plsmon resonance，spr)技术凭借其响应速度快、在线实时监测、无需特殊标识等杰出优势而被研究者所追崇。spr是一种奇特的物理光学现象, 在金属介质交界面处，金属中的自由电子吸收入射光光子的能量而产生集体振荡。由于spr对外界环境中分析物的折射率变化的颇为敏感，常被应用于生物、化学以及环境中气态或液态分析样本的系列识别、检测与鉴定。
3.近年来，基于spr的传感平台如雨后春笋般大量涌现，主要包含棱镜型、光纤型两大类别。即便前者的技术成熟，但其劣势在于系统体积庞大，成本昂贵，难以在特定环境下使用而限制了其进一步发展。在光纤型传感平台中，单模光纤型和光子晶体光纤型最受研究人员追捧。其中，单模光纤（single mode fiber，smf）包层内无填充空气孔，结构简单，实际生产技术成熟。许多同行投入大量的时间和精力，旨在提高单模光纤的应用，但灵敏度等光学特性普遍不佳化而受阻。光子晶体光纤是一种新型特种阶跃型光纤。灵活的空气孔排布设计、无截止单模传输以及大模场面积等突出特点映入了科研工作者的眼帘。因此，各式各样性能超群的pcf-spr传感器被相继提出。但不可忽视的一个问题在于，实际制造始终是一个屏障，目前短时间内很难去打破。基于上述，急需在以单模光纤为载体的情况下，设计一种高性能，方便实际生产的spr传感器。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种结构极简的高敏劈尖形smf-spr气体传感器，该传感器结构简单，便于实际生产和应用。
5.本发明采用的技术方案为：一种结构极简的高敏劈尖形smf-spr气体传感器（smf-spr为单模光纤表面等离子体共振的缩写），高敏劈尖形smf-spr气体传感器为单模光纤，该单模光纤由纤芯和包层组成，包层上设有v形槽，v形槽的包层内侧涂覆有金膜，其另一侧涂覆有气敏膜；所述v形槽的顶角为28
°‑
32
°
，所述纤芯的半径为3mm
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5mm，所述包层半径为18mm-22mm，所述金膜的厚度为18nm
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22nm，所述气敏膜的厚度为280nm
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300nm。
6.进一步地，所述v形槽的顶角为30
°
，所述纤芯的半径为4mm，所述包层半径为20mm，所述金膜的厚度为20nm，所述气敏膜的厚度为290nm。
7.进一步地，所述纤芯的背景材料为二氧化硅。
8.进一步地，所述背景材料的折射率为1.44。
9.进一步地，所述v形槽为在包层上利用飞秒技术抛光形成的劈尖形的v形槽。
10.进一步地，所述单模光纤置于气体环境中。
11.本发明的有益效果：本发明提供了一种结构极简的高敏劈尖形smf-spr气体传感
器，该传感器结构简单，便于实际生产和应用。其主要优点如下：（1）、smf-spr气体传感器利用飞秒技术抛光成劈尖形v形槽，此种设计优化了能量的传输路径，进一步提高模式耦合效率；（2）、smf-spr气体传感器采用金-气敏复合膜涂覆，该复合膜有效改善了纤芯导模与等离子体模的相位匹配度；（3）、smf-spr气体传感器可操作的工作波长延伸到中红外区域：1000 nm
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3500 nm；（4）、smf-spr气体传感器可检测的浓度范围：0%
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3.5%；（5）、smf-spr气体传感器输出的最大灵敏度高达12 nm/riu，远超出普通单模光纤最大阈值，与光子晶体光纤的灵敏度相差无几；（6）、smf-spr气体传感器结构简单、特性优良、制造成熟且方便实际应用。
附图说明
12.图1是实施例一中单模光纤的横截面示意图；图2是实施例一中smf-spr气体传感器在共振波长范围为2.580-2.630mm的共振波长与待测气体浓度的对应关系图；图3是实施例一中smf-spr气体传感器在共振波长范围为3.215-3.240mm的共振波长与待测气体浓度的对应关系图；图4是实施例一中单模光纤的待测气体浓度检测流程图。
实施方式
13.参照各图，一种结构极简的高敏劈尖形smf-spr气体传感器，高敏劈尖形smf-spr气体传感器为单模光纤，该单模光纤由纤芯1和包层2组成，包层2上设有v形槽4，v形槽4的包层内侧涂覆有金膜3，其另一侧涂覆有气敏膜5；所述所述v形槽4的顶角为30
°
，所述纤芯1的半径为4mm，所述包层2半径为20mm，所述金膜5的厚度为20nm，所述气敏膜3的厚度为290nm；所述纤芯1的背景材料为二氧化硅；所述背景材料的折射率为1.44；所述v形槽4为在包层2上利用飞秒技术抛光形成的劈尖形的v形槽4。
14.当有光射入到单模光纤内部的时候，不同波长的光分别以特定的模式在单模光纤内沿着轴心方向传播，而表面等离子体波则是以固定的模式在金膜内传播。当单模光纤内某一波长的光与金膜内的表面等离子体波的传播常数相同时，在金膜内会发生能量耦合，单模光纤内的光能耦合到金膜内，单模光纤内的光能减少，即单模光纤内发生了能量损耗。能量损耗最大时对应的光波长为共振波长。通过能量损耗和共振波长的关系，画出能量的损耗谱。共振波长随着气敏膜的气体的浓度的变化而变化。当把单模光纤置于某种气体环境下，通过计算共振波长的大小即可检测出待测气体的浓度，从而达到传感的目的。
15.通过有限元法可以建立本发明的smf模型，利用有限元分析软件comsol和matlab对其传感情况进行仿真并加以后处理，可以得到如图2和图3所示的共振波长与待测气体浓度之间的函数关系图，拟合直线的拟合方程（1）（2）分别为：
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（1）
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（2）其中，λ为共振波长，单位为mm，c是待测气体的浓度，单位为riu。
16.本传感器的平均波长灵敏度可由下式决定：
17.其中，δλ为共振波长的位移量，δc代表待测气体浓度的变化量；拟合方程的斜率即为本传感器的平均波长灵敏度，其大小分别为11.14nm/riu、6.29nm/riu。
18.本传感器的气体浓度检测过程如图4所示，将单模光纤置于将要检测的气体环境中，利用光纤熔接机在传感器两侧接上单模光纤，一端连接光源，另一端连接光学光谱分析仪(osa)，并利用数据线将osa和pc端连接。打开光源，调整到合适的波段并激发spr后即可得到该分析物的损耗曲线并找到对应的共振波长，继而得到待测气体的浓度。


技术特征：
1.一种结构极简的高敏劈尖形smf-spr气体传感器，其特征在于：所述结构极简的高敏劈尖形smf-spr气体传感器为单模光纤，该单模光纤由纤芯（1）和包层（2）组成，包层（2）上设有v形槽（4），v形槽（4）的包层内侧涂覆有金膜（3），其另一侧涂覆有气敏膜（5）；所述v形槽（4）的顶角为28
°‑
32
°
，所述纤芯（1）的半径为3mm
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5mm，所述包层（2）半径为18mm-22mm，所述金膜（5）的厚度为18nm
ꢀ‑
22nm，所述气敏膜（3）的厚度为280nm
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300nm。2.根据权利要求1所述的一种结构极简的高敏劈尖形smf-spr气体传感器，其特征在于：所述v形槽（4）的顶角为30
°
，所述纤芯（1）的半径为4mm，所述包层（2）半径为20mm，所述金膜（5）的厚度为20nm，所述气敏膜（3）的厚度为290nm。3.根据权利要求1或2所述的一种结构极简的高敏劈尖形smf-spr气体传感器，其特征在于：所述纤芯（1）的背景材料为二氧化硅。4.根据权利要求3所述的一种具有环芯结构的pcf-spr甲烷浓度检测传感器，其特征在于：所述背景材料的折射率为1.44。5.根据权利要求1或2所述的一种结构极简的高敏劈尖形smf-spr气体传感器，其特征在于：所述v形槽（4）为在包层（2）上利用飞秒技术抛光形成的劈尖形的v形槽（4）。

技术总结
本发明涉及一种气体传感器，具体涉及一种结构极简的高敏劈尖形SMF-SPR气体传感器，高敏劈尖形SMF-SPR气体传感器为单模光纤，该单模光纤由纤芯和包层组成，包层上设有V形槽，V形槽的包层内侧涂覆有金膜，其另一侧涂覆有气敏膜；V形槽的顶角为28


技术研发人员：刘超 刘美琪 刘伟 吕靖薇 刘强 杨琳 王建鑫 何洁 罗兴娣 孟桐羽
受保护的技术使用者：东北石油大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/21