基于表面等離子共振光纖傳感器 [修復(fù)的]

1、Harbin Engineering University 基于表面等離子體共振光纖傳感器Harbin Engineering University 報(bào)告主要內(nèi)容：一、光纖傳感二、表面等離子體共振三、基于表面等離子體共振光纖傳感四、近期工作光纖傳感器； 光纖傳感器(FOS： Fiber Optical Sensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。 光導(dǎo)纖維(光纖)受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件變化，將引起其傳輸?shù)墓獠浚绻鈴?qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。光纖傳感技術(shù)就是將溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為光波能量的變化的技術(shù)。光纖傳感

2、器通過(guò)光導(dǎo)纖維把輸入變量換成調(diào)制的光信號(hào)，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量。Harbin Engineering University 光纖傳感器的分類：光纖溫度傳感器光纖位移傳感器光纖流量、流速傳感器光纖磁傳感器醫(yī)用光纖傳感器分布式光纖傳感器工業(yè)用內(nèi)窺鏡光纖加速度傳感器光纖光柵傳感器光纖層析成像分析技術(shù)及應(yīng)用光纖納米生物傳感器電絕緣性能好。抗電磁干擾能力強(qiáng)。非侵入性。高靈敏度。測(cè)量速度快容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控?？梢杂糜诟邏?、電氣噪聲、高溫腐蝕或其他惡劣環(huán)境光

3、纖傳感器的特點(diǎn):光纖傳感器的特點(diǎn)以及分類: 電 源 電量檢測(cè) 電 類 傳 感 器 被測(cè)參量 電類傳感器 電 纜 光 源 光量檢測(cè) 光纖傳感器 被測(cè)參量 光纖傳感器 光 纜 光纖傳感器與電類傳感器的對(duì)比光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖1光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖Harbin Engineering University 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器光纖測(cè)溫技術(shù)是一種新技術(shù)光纖測(cè)溫技術(shù)是一種新技術(shù)，光纖溫度傳感器，光纖溫度傳感器是工業(yè)中應(yīng)用最多的光纖傳感器之一是工業(yè)中應(yīng)用最多的光纖傳感器之一。按調(diào)制按調(diào)制原理分為原理分為相干型相干型和和非相干型非相干型兩類。在相干型中兩類。在相干型中有有偏振干涉、相位干涉偏振干涉、相位干涉

4、以及以及分布式溫度傳感器分布式溫度傳感器等；在非相干型中有等；在非相干型中有輻射溫度計(jì)、半導(dǎo)體吸收輻射溫度計(jì)、半導(dǎo)體吸收式溫度計(jì)、熒光溫度計(jì)式溫度計(jì)、熒光溫度計(jì)等等。目前比較成熟的溫目前比較成熟的溫度傳感器有一下三種：度傳感器有一下三種：光纖光纖Fabry- perot 干涉干涉型型溫溫度度傳感器、半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器、傳感器、半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器、光光纖光柵溫度傳感器。纖光柵溫度傳感器。Harbin Engineering University 光纖溫度傳感器原理光纖溫度傳感器原理 圖2光纖溫度傳感器原理光纖溫度傳感器原理表面等離子共振表面等離子共振 表面等離子體是一種電磁波，是

5、在金屬-介質(zhì)界面被電磁激發(fā)產(chǎn)生表面等離子體極化電荷的重新分布，在垂直于界面的方向上電場(chǎng)強(qiáng)度呈指數(shù)衰減;外界電磁場(chǎng)作用于金屬膜層時(shí)，電場(chǎng)力使得金屬的自由電子產(chǎn)生轉(zhuǎn)移，偏移金屬中的正離子，這樣使得電子密度發(fā)生在金屬表面重新分布。 消逝波 全反射的光波會(huì)透過(guò)光疏介質(zhì)約為光波波長(zhǎng)的一個(gè)深度，再沿界面流動(dòng)約半個(gè)波長(zhǎng)再返回光密介質(zhì)。光的總能量沒(méi)有發(fā)生改變。透入光疏介質(zhì)的光波成為消逝波。等離子體 等離子體通常是指由密度相當(dāng)高的自由正、負(fù)電荷組成的氣體，其中正、負(fù)帶電粒子數(shù)目幾乎相等。金屬表面等離子波 把金屬的價(jià)電子看成是均勻正電荷背景下運(yùn)動(dòng)的電子氣體，這實(shí)際上也是一種等離子體。由于電磁振蕩形成了等離子波。等

6、離子波當(dāng)光在棱鏡與金屬膜表面上發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，會(huì)形成消逝波進(jìn)入到光疏介質(zhì)中，而在介質(zhì)（假設(shè)為金屬介質(zhì)）中又存在一定的等離子波。當(dāng)兩波相遇時(shí)可能會(huì)發(fā)生共振。當(dāng)消逝波與表面等離子波發(fā)生共振時(shí)，檢測(cè)到的反射光強(qiáng)會(huì)大幅度地減弱。能量從光子轉(zhuǎn)移到表面等離子，入射光的大部分能量被表面等離子波吸收，使反射光的能量急劇減少。圖3表面等離子共振原理圖阻尼頻率熱體積膨脹系數(shù)的金屬電子散射的頻率聲電散射頻率等離子頻率高頻介電常數(shù)(金為9.75)金屬介電常數(shù)Drude model 混合液體的熱光系數(shù)我們采用加權(quán)算術(shù)平均計(jì)算，目前應(yīng)用較多的幾種填充液體： 乙醇熱光系數(shù)：-3.9410-4/ 乙醇折射率：1.3605（

7、室溫） 甘油熱光系數(shù)：-2.1510-4/ 甘油折射率：1.4746（室溫） 水熱光系數(shù)：-1.4510-4/ 水折射率：1.333（室溫）填充材料折射率與溫度關(guān)系混合液體折射率（室溫）混合液體的熱光系數(shù)基于表面等離子體共振的光子晶體光纖溫度傳感720pm/圖4光纖截面圖圖5不同溫度損耗與波長(zhǎng)關(guān)系曲線圖6不同厚度金薄膜對(duì)峰值的影響基于表面等離子體共振液體填充D型孔高敏感光纖溫度傳感器3.9nm/圖 7型光纖截面圖圖 8方向模式和spp模式有效折射率實(shí)部圖9 x、y方向電場(chǎng)分布圖n1=1.4681n2=1.4628n3=1.444n_det0=1.436(34%乙醇、66%甘油)圖11 纖芯與金

8、薄膜距離對(duì)損耗光譜的影響圖12 金薄膜厚度對(duì)損耗光譜的影響Harbin Engineering University 基于液體填充光子晶體光纖溫度傳感5.5nm/近期工作進(jìn)展0.920.940.960.981.001.021.041.061.081.101.121.1420406080100120140160Loss(dB/cm)Wavelength (um) 293.15 303.15 313.15 323.15Ge-doped=8%0.900.951.001.051.101.151.201.251.30020406080100120140160Loss(dB/cm)Wavelength (um) 303.15K 3