Page 33 - 网络电信2019年4月刊下

用于折射率和温度同时测量的反射式光纤SPR

传感器

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鄂思宇 ,张亚男 ,赵强 ,吴奇鲁 1
1.东北大学信息科学与工程学院 沈阳 110819
2.齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 青岛 266061

摘要：本文提出一种基于表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)的光纤传感
器实现了液体折射率和温度的同时测量.该传感器采用反射式结构,使用金膜作为激发SPR的金属
膜,并通过在部分金膜上涂覆聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)使其输出光谱产生
两个独立的谐振谷.当溶液折射率和温度发生变化时,两个谐振谷会分别发生不同的移动,通过监
测两个谷波长的移动量,再利用双波长矩阵法,便可实现溶液折射率和温度的同时测量。实验结
果表明,该传感器的折射率灵敏度可达到1764.3nm/RIU,温度灵敏度为-1.02nm/±C.
关键词：光纤传感器；表面等离子体共振；折射率测量；温度补偿

在工业生产过程中的自动化控制系统和检测系统中,传感 低.此外,许多光纤SPR传感器的研究重点是如何提高折射率的测
[1]
器发挥着越来越重要的作用 .其中,液体折射率的测量对于液 量灵敏度,往往忽视了温度变化对于折射率测量的影响.由于液
体成分分析与理化性质研究有着重要作用 [2-3] .光纤传感技术是 体温度的变化会使传感器探头对折射率的测量产生干扰,因此在
一种将光作为载体,光纤作为介质,用来感知及传播外界环境变 测量液体折射率时,必须要补偿温度带来的影响.
化的新型技术.光纤传感具有灵敏度高、不受电磁干扰、响应迅 本文提出一种基于600¹m直径光纤的反射式光纤SPR传感器,
速、适用于远距离测量等特点,吸引了许多学者对其进行了深入 并对传感器涂覆聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)
[6]
研究 [4-5] .目前,光纤传感技术已经应用在诸多领域 .对于溶液 来实现对温度的测量.
折射率的测量,已经出现了许多种不同原理的光纤传感器,例如
[7]
马赫{曾德尔干涉(Mach-zehnderinterference,MZI)传感器 , 一、传感机理分析与系统设计
[8]
法布里{珀罗干涉(Fabry-perotinterfer-ence,FPI)传感器 , 光纤SPR传感器的传感机理是根据表面等离子体共振现象演
[9]
光纤布拉格光栅(Fiberbragggrating,FBG)传感器 ,表面等离 变而来的.当具有相同波矢和频率的倏逝波与表面等离子体波沿
子体共振(Sur-faceplasmonresonance,SPR)传感器 [10-11] .相对于 相同方向传播时会产生共振,二者的能量耦合,入射光会将部分
其他的光纤折射率传感器,光纤SPR传感器有着更高的灵敏度,并 能量转移给表面等离子体波,导致反射光强度急剧下降,出现共
且响应迅速.目前已经提出了多种结构的SPR传感器来实现对折 振波谷,也称作谐振谷 [15] .因为金属层的厚度一般小于倏逝波的
射率的测量,例如多模{单模{多模 [12] ,多模{光子晶体光纤{多模 穿透深度,全反射产生的倏逝波可以透过金属层在金属{介质界
[13] 和空芯光子晶体光纤 [14] 等.但是,目前的光纤SPR传感器大多 面处存在,此时倏逝波在X方向的波矢可以表示为:
采用透射式结构,不宜进行远距离测量,而且传感器机械强度较 （1）

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