本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种表面等离子体共振光纤传感器。
背景技术：
表面等离子体共振是一种特殊的物理光学现象。光在界面处发生全反射时，会在界面附近产生倏逝波，倏逝波会激发金属介质界面的自由电子产生表面等离子体波。渗透到金属介质界面的波矢和表面等离子体波的波矢相等时，两者发生强烈耦合，就会发生表面等离子体共振现象。此时金属中的自由电子吸收入射光的能量，使得反射光的能量衰减，在反射光谱中出现共振吸收峰。表面等离子体共振现象对金属表面介质的折射率变化非常敏感，所以常被用来测量液体的折射率变化以及跟折射率变化相关的物理量。
光在光纤中传输时，在一定条件下传感区域倏逝波与金属表面等离子体波共振，透射光谱出现吸收峰，外界环境介质变化会导致spr光谱曲线共振峰位置发生改变，从而实现对外界环境介质参量的检测。侧边抛磨光纤由于其强烈的倏逝场作用，常被用来制作光纤表面等离子体共振传感器。常见的侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感器是在抛磨区镀一层金属薄膜，这种结构对y偏振纤芯模式损耗较高，而对于x偏振纤芯模式损耗较低，难以调谐共振波长的范围和控制表面等离子体模和纤芯模式的耦合损耗。相比于金属薄膜，抛磨平面排列纳米金属线的结构对两种偏振态的纤芯模都有较高的耦合损耗，同时通过对纳米金属线的直径大小、数量和间距的合理设置，可有效控制调谐共振波长的范围、减少表面等离子体模数量从而形成更为明显的损耗峰、增强表面等离子体模和纤芯模式的耦合损耗，但该结构仍存在两种偏振态所对应的共振波长不同的问题。
技术实现要素：
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种表面等离子体共振光纤传感器，能够实现偏振不敏感型传感，可以有效降低传感对光源及光纤器件的要求。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种表面等离子体共振光纤传感器，包括：
传感光纤，所述传感光纤为少模光纤，所述传感光纤在工作波长范围内，至少支持lp11模的传输，所述传感光纤包括纤芯和包层，所述包层的传感区经加工形成两个相互垂直的切面，两个所述切面的交线与所述纤芯的中心轴线之间的距离大于
纳米金属线组，每个所述切面上均设有一个纳米金属线组，所述纳米金属线组包括至少两根相互平行的纳米金属线，所有所述纳米金属线的中心轴线均与所述纤芯的中心轴线平行，所有所述纳米金属线的半径相等、长度相等、截面形状相同。
优选地，所述纤芯的中心轴线到两个所述切面的垂线长度为h，且0≤h-r≤1μm。
优选地，所述纳米金属线的材质为金或银，所述纳米金属线的半径r为50～200nm。
优选地，所述纳米金属线组中相邻两根所述纳米金属线的中心间距为d，满足
优选地，所述纳米金属线组包括奇数个所述纳米金属线。
优选地，每个所述纳米金属线组中的中间所述纳米金属线位于位置a，所述位置a为所述纤芯的中心轴线在所述切面的投影位置，其余所述纳米金属线对称分布于所述位置a的两侧。
优选地，所述纳米金属线组包括偶数个所述纳米金属线。
优选地，所述纳米金属线组中的所述纳米金属线对称分布于位置b两侧，所述位置b为所述纤芯的中心轴线在所述切面的投影位置。
优选地，所述纳米金属线组中的所述纳米金属线的个数为n个，且2r (n-1)d＜2h，n为大于1的整数。
优选地，所述纤芯的半径r为4～10μm，所述纤芯的折射率nc与所述包层的折射率nclad之差满足：0.001<(nclad-nc)<0.05。
本发明的有益效果：
本发明将少模光纤传感部分的包层经抛磨或切割形成两个垂直切面，作为光纤传感区的“泄露窗口”，相比于常见的单侧边抛磨光纤，传输光的倏逝场作用更明显，共振损耗更强。通过在两个垂直切面上排列一定数量的纳米金属线，解决常规基于表面等离子体传感的单侧边抛磨光纤对偏振灵敏的缺点，实现了偏振不敏感型传感，可以有效降低传感对光源及光纤器件的要求，为低成本传感提供理想的技术方案；通过纤芯高阶模与表面等离子体模耦合，增强其耦合效果，解决光纤基模与表面等离子体模耦合困难的缺点；避免了多模光纤模式数量多，其模式叠加引起的共振谱线展宽，从而降低传感敏感度的缺点。所有金属线的参数相同，它们分别与纤芯模形成耦合，并通过多个金属线的耦合，以及金属线之间合适的排布，实现增强其耦合损耗和损耗峰值的目的。
本发明通过对纳米金属线的直径大小、数量和间距的合理设置，可有效控制调谐共振波长的范围、减少表面等离子体模数量从而形成更为明显的损耗峰、增强表面等离子体模和纤芯模式的耦合损耗。与基于金属膜的光纤传感器件相比，本发明的方案可以有效抑制表面等离子体模的数量，从而使得其与纤芯模的谐振峰数量减少，使共振波长处的损耗峰窄，形成高灵敏度的传感。
附图说明
图1为本发明所述的一种表面等离子体共振光纤传感器的结构示意图；
图2为本发明所述的一种表面等离子体共振光纤传感器的截面示意图一；
图3为本发明所述的一种表面等离子体共振光纤传感器的截面示意图二；
图4为本发明所述的光纤传感器的纤芯模和表面等离子体模的色散曲线。
图5为光纤传感器的不同纤芯模式损耗曲线。
图6为光纤传感器的纤芯模式损耗曲线，其中：图(a)和图(c)分别是单个切面排布纳米金属线时，纤芯基模和lp11模损耗曲线，图(b)和图(d)分别是两个垂直切面排布纳米金属线时，纤芯基模和lp11模损耗曲线。
图7是不同外界折射率下纤芯lp11模损耗曲线。
附图标记：
1-纤芯，2-包层，3-纳米金属线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种表面等离子体共振光纤传感器。
请参阅图1-3，根据本发明实施例的一种表面等离子体共振光纤传感器，包括传感光纤和纳米金属线组。
传感光纤为少模光纤，即其在工作波长范围内，至少支持lp11模的传输，传感光纤包括纤芯1和包层2，其传感部分的包层2经抛磨或切割形成两个相互垂直的切面，两个切面的交线与纤芯1的中心轴线之间的距离大于
每个切面上均设有一个纳米金属线组，纳米金属线组包括至少两根相互平行的纳米金属线3，与金属薄膜相比，纳米金属线3仅会激发极少量的表面模，避免了金属薄膜表面激发出过多的金属表面等离子体模与纤芯模之间耦合，从而使得其损耗峰不明显，影响其传感灵敏度的缺点。为保证纳米金属线3激发的表面等离子体模的相对独立性和稳定传输，所有纳米金属线3的中心轴线均与纤芯1的中心轴线平行，从而使其表面等离子体模在特定的波长位置与纤芯模发生强的耦合。因此，在外界环境介质折射率相同的情况下，水平方向和垂直方向的纳米金属线激发的表面等离子体模和纤芯模的共振损耗是相同的。所有纳米金属线3的半径相等、长度相等、截面形状相同，各个纳米金属线3分别与纤芯模形成耦合，并通过多个纳米金属线3的耦合，以及纳米金属线3之间合适的排布，实现增强其耦合损耗和损耗峰值的目的。
本发明采用少模光纤，而非单模光纤或多模光纤，由于高阶模的模场在包层区更多，扩展区域更大，因而更容易与表面等离子体模发生强耦合，从而使其损耗峰更为明显。而多模光纤会导致多个纤芯模式与表面等离子体模发生强耦合，使得不同模式间的损耗峰重叠，导致其传感灵敏度下降。图4给出了少模光纤的纤芯模和表面等离子体模的色散曲线，两者的交点为相位匹配点，此时纤芯模和表面等离子体模的实部相等，达到最大的耦合损耗。图中虚线表示二阶的表面等离子体模，实线表示一阶的表面等离子体模，而纳米金属线3的表面等离子体模的数量是由纳米金属线3的数量决定的。图5是少模光纤的不同纤芯模式损耗曲线，lp11模比lp01模的损耗更强，更容易和表面等离子体模达到相位匹配。
本发明通过在两个垂直的切面上排列一定数量的纳米金属线3，解决常规基于表面等离子体传感的单侧边抛磨光纤对偏振灵敏的缺点，实现了偏振不敏感型传感。图6是两个垂直切面和单个切面排布纳米金属线3的纤芯模式损耗曲线，其中：图(a)和图(c)分别是单个切面排布纳米金属线3时，纤芯基模和lp11模损耗曲线，图(b)和图(d)分别是两个垂直切面排布纳米金属线3时，纤芯基模和lp11模损耗曲线。由图(a)和图(c)可得，单个切面排布纳米金属线3的纤芯模式x偏振和y偏振的损耗不同，这里x偏振对应的是与二阶表面等离子体模的共振损耗，y偏振对应的是与一阶表面等离子体模的共振损耗。由图(b)和图(d)可得，两个垂直切面排布纳米金属线3的纤芯模式x偏振和y偏振的损耗相同，图中给出的是一个偏振态下的损耗，相当于单个切面纤芯模式x偏振和y偏振的损耗之和。因为同一平面上纳米金属线3的x和y偏振态下的表面等离子体模是不同的，因而其与纤芯模的耦合也不相同，从而形成了所谓的偏振相关性，即两种偏振态下的耦合特性不同。而水平切面上纳米金属线3的表面等离子体模与垂直切面上纳米金属线3的表面等离子体模由于排布方向刚好相差90度，水平切面上的x偏振模的特性与垂直切面上的y偏振模的特性正好是相同的。因而，两个偏振的特性形成互补，从而使纤芯1的x偏振和y偏振的损耗特性完全相同。因为两个偏振的特性完全相同，其输入场就无需通过偏振控制器等方法来实现单个偏振的输入，可有效降低系统的成本和复杂度。
由于lp11模的模场特性，使得lp11a模对应的是二阶表面等离子体模，lp11b模对应的是一阶表面等离子体模的共振损耗，所以选取lp11a模和lp11b模研究在不同外界环境介质折射率下，二阶表面等离子体模和一阶表面等离子体模的共振损耗变化以及共振波长的漂移情况。如图7所示，在外界环境介质折射率从1.33riu变化到1.35riu时，二阶表面等离子体模和一阶表面等离子体模的共振损耗增大，共振波长向长波长方向移动。
制作本发明传感光纤时，可使用轮式侧边抛磨法，将传感光纤放置于一个可控的旋转轮上，通过旋转轮的旋转将光纤的一侧抛磨掉一部分，随即将传感光纤翻转90度，对另一侧进行加工抛磨。此方法工艺简单，环保，抛磨区平坦，且对剩余抛磨深度，抛磨长度等参数可控。在加工的时候，剩余抛磨深度越小，纤芯模和表面等离子体模耦合越强，但由于光纤材质较脆，剩余抛磨深度过小，光纤易折断，同时，纤芯模与表面等离子体模之间需保证一定间距，以实现其损耗曲线的强波长依赖性，作为优选，本发明的纤芯1的中心轴线到两切面的垂线长度h满足0≤h-r≤1μm。
纳米金属线3之间的排列过于紧密时，表面等离子体模之间会相互耦合，从而会导致透射谱线出现多个峰值的情况，因而需要考虑表面等离子体模的模场直径。通过有限元方法模拟得到纳米金属线3的半径、纤芯1的半径和剩余抛磨深度对表面等离子体模的模场直径影响很小，而模式阶次对其模场直径影响较大，为此，本发明要求纳米金属线组中两相邻纳米金属线3的中心间距d需满足
采用spr传感器中常用的金或银作为纳米金属线3的材质，且纳米金属线3的半径r为50～200nm，单个切面上的纳米金属线3的数量为n个，n为大于1的整数，且2r (n-1)d＜2h。纳米金属线3的直径大小和数量的变化可以调谐共振波长的范围和控制表面等离子体模和纤芯模式的耦合损耗。
如前，光纤中不能存在过多的模式，为保证传感光纤为少模光纤，且其与表面等离子体模之间易于强耦合，对纤芯1的半径和折射率差要求为：纤芯的半径r为4～10μm，纤芯1的折射率nc与包层2的折射率nclad之差满足：0.001<(nclad-nc)<0.05。
以下为本发明的一个较佳实施例：
纤芯1的直径为10μm，包层2的直径为125μm，纤芯1的折射率为1.467，包层2的折射率比纤芯1的折射率小0.005。纳米金属线3在一个切面上的数量为3，纤芯1的中心轴线中心在切面的投影出排布一根纳米金属线3，其它纳米金属线3分布在此纳米金属线3的两侧，呈对称分布。纳米金属线3的半径为100nm，材质为银，两相邻纳米金属线3的中心间距为1.4μm。所有纳米金属线3的半径、截面形状及长度均分别相同，位于同一切面的纳米金属线3呈平行排列。纤芯1的中心轴线到两切面的垂线长度相同，且为5.2μm。如图7所示，在外界环境介质折射率从1.33riu变化到1.35riu时，从lp11a模和lp11b模的共振损耗曲线可以看出，二阶表面等离子体模和一阶表面等离子体模的共振损耗增大，共振波长向长波长方向移动。外界环境介质折射率从1.33riu变化到1.35riu，二阶表面等离子体模对应的共振波长从574nm漂移到606nm，平均灵敏度为1600nm/riu，一阶表面等离子体模对应的共振波长从596nm漂移到630nm，平均灵敏度为1700nm/riu。lp11a模的共振谱线的半高宽分别为9.96nm，8.02nm，7.54nm，lp11b模的共振谱线的半高宽分别为11.54nm，12.57nm，11.85nm，相比于常规的侧边抛磨光纤spr传感器要小很多。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
1.一种表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，包括：
传感光纤，所述传感光纤为少模光纤，所述传感光纤在工作波长范围内，至少支持lp11模的传输，所述传感光纤包括纤芯和包层，所述包层的传感区经加工形成两个相互垂直的切面，两个所述切面的交线与所述纤芯的中心轴线之间的距离大于
纳米金属线组，每个所述切面上均设有一个纳米金属线组，所述纳米金属线组包括至少两根相互平行的纳米金属线，所有所述纳米金属线的中心轴线均与所述纤芯的中心轴线平行，所有所述纳米金属线的半径相等、长度相等、截面形状相同。
2.根据权利要求1所述的表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，所述纤芯的中心轴线到两个所述切面的垂线长度为h，且0≤h-r≤1μm。
3.根据权利要求1所述的表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，所述纳米金属线的材质为金或银，所述纳米金属线的半径r为50～200nm。
4.根据权利要求1所述的表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，所述纳米金属线组中相邻两根所述纳米金属线的中心间距为d，满足
5.根据权利要求1所述的表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，所述纳米金属线组包括奇数个所述纳米金属线。
6.根据权利要求5所述的表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，每个所述纳米金属线组中的中间所述纳米金属线位于位置a，所述位置a为所述纤芯的中心轴线在所述切面的投影位置，其余所述纳米金属线对称分布于所述位置a的两侧。
7.根据权利要求1所述的表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，所述纳米金属线组包括偶数个所述纳米金属线。
8.根据权利要求7所述的表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，所述纳米金属线组中的所述纳米金属线对称分布于位置b两侧，所述位置b为所述纤芯的中心轴线在所述切面的投影位置。
9.根据权利要求1所述的表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，所述纳米金属线组中的所述纳米金属线的个数为n个，且2r (n-1)d＜2h，n为大于1的整数。
10.根据权利要求1所述的表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，所述纤芯的半径r为4～10μm，所述纤芯的折射率nc与所述包层的折射率nclad之差满足：0.001<(nclad-nc)<0.05。
技术总结