基于表面等离子共振光纤传感器-[修复的]

HarbinEngineeringUniversity基于表面等离子体共振光纤传感器HarbinEngineeringUniversity报告主要内容：一、光纤传感二、表面等离子体共振三、基于表面等离子体共振光纤传感四、近期工作光纤传感器；光纤传感器(FOS：FiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。光导纤维(光纤)受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光波能量的变化的技术。光纤传感器通过光导纤维把输入变量换成调制的光信号，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。HarbinEngineeringUniversity光纤传感器的分类：光纤温度传感器光纤位移传感器光纤流量、流速传感器光纤磁传感器医用光纤传感器分布式光纤传感器工业用内窥镜光纤加速度传感器光纤光栅传感器光纤层析成像分析技术及应用光纤纳米生物传感器电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。非侵入性。高灵敏度。测量速度快容易实现对被测信号的远距离监控。可以用于高压、电气噪声、高温腐蚀或其他恶劣环境光纤传感器的特点:光纤传感器的特点以及分类:电源电量检测电类传感器被测参量电类传感器电缆光源光量检测光纤传感器被测参量光纤传感器光缆光纤传感器与电类传感器的对比光纤传感器结构图1光纤传感器结构图HarbinEngineeringUniversity光纤温度传感器光纤测温技术是一种新技术，光纤温度传感器是工业中应用最多的光纤传感器之一。按调制原理分为相干型和非相干型两类。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布式温度传感器等；在非相干型中有辐射温度计、半导体吸收式温度计、荧光温度计等。目前比较成熟的温度传感器有一下三种：光纤Fabry-perot干涉型温度传感器、半导体吸收型光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器。HarbinEngineeringUniversity温度变化光纤长度变化折射率变化芯径变化相位常数变化相位变化与参考光干涉谐振器强度变化光纤温度传感器原理图2光纤温度传感器原理表面等离子共振表面等离子体是一种电磁波，是在金属---介质界面被电磁激发产生表面等离子体极化电荷的重新分布，在垂直于界面的方向上电场强度呈指数衰减;外界电磁场作用于金属膜层时，电场力使得金属的自由电子产生转移，偏移金属中的正离子，这样使得电子密度发生在金属表面重新分布。消逝波全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长的一个深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发生改变。透入光疏介质的光波成为消逝波。等离子体等离子体通常是指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体，其中正、负带电粒子数目几乎相等。金属表面等离子波把金属的价电子看成是均匀正电荷背景下运动的电子气体，这实际上也是一种等离子体。由于电磁振荡形成了等离子波。等离子波当光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。当两波相遇时可能会发生共振。当消逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使反射光的能量急剧减少。图3表面等离子共振原理图金属材料的选择阻尼频率热体积膨胀系数的金属电子散射的频率声电散射频率等离子频率高频介电常数(金为9.75)金属介电常数Drudemodel混合液体的热光系数我们采用加权算术平均计算，目前应用较多的几种填充液体：乙醇热光系数：-3.9410^-4/℃乙醇折射率：1.3605（室温）甘油热光系数：-2.1510^-4/℃甘油折射率：1.4746（室温）水热光系数：-1.4510^-4/℃水折射率：1.333（室温）填充材料折射率与温度关系混合液体折射率（室温）混合液体的热光系数基于表面等离子体共振的光子晶体光纤温度传感720pm/℃图4光纤截面图图5不同温度损耗与波长关系曲线图6不同厚度金薄膜对峰值的影响基于表面等离子体共振液体填充D型孔高敏感光纤温度传感器3.9nm/℃图7型光纤截面图图8方向模式和spp模式有效折射率实部图9x、y方向电场分布图n1=1.4681n2=1.4628n3=1.444n_det0=1.436(34%乙醇、66%甘油)图11纤芯与金薄膜距离对损耗光谱的影响图12金薄膜厚度对损耗光谱的影响HarbinEngineeringUniversity基于液体填充光子晶体光纤温度传感5.5nm/℃近期工作进展0.920.940.960.981.001.021.041.061.081.101.121.1420406080100120140160Loss(dB/cm)Wavelength(um)293.15303.15313.15323.15Ge-doped=8%0.900.951.001.051.101.151.201.251.30020406080100120140160Loss(dB/cm)Wavelength(um)303.15K313.15K323.15K333.15KGe-doped=5%1.001.051.101.151.200102030405060708090100110Loss(dB/cm)Wavelength(um)d=0.5umd=1umd=1.5um