一种结构极简的ARF-SPR长距离液体检测传感器

一种结构极简的arf-spr长距离液体检测传感器
技术领域：
1.本发明涉及一种液体检测传感器，具体涉及一种结构极简的arf-spr长距离液体检测传感器。


背景技术：

2.随着光纤传感技术的不断发展，光学传感器已经逐渐开始变得智能化、系统化、微型化。表面等离子体共振(surface plasmon resonance，spr)技术是近年来兴起的一种传感技术。当一定频率的光束入射到金属后会与其表面的等离子体波(spw)发生耦合，使得光子和金属表面的自由电子发生集体震荡。由于发生spr时所对应的波长会随着分析物折射率的变化出现规律的移动，因此这种技术可用于液体折射率检测，在生物化学检测、石油测井、地质勘探等领域有着巨大的应用价值。
3.反谐振光纤(anti-resonantfiber，arf)与众人已经十分熟悉的单模光纤、光子晶体光纤等结构不同，是由不同大小和厚度的负曲率反谐振管堆叠而成的，其结构相对光子晶体光纤而言更为简单且易于生产。近年来，反谐振光纤及其生产方法已经取得了极为显著的成果。基于反谐振光纤的新型spr传感器以其结构设计简单、灵敏度高、体积小、损耗低、检测距离长等特点，受到了光纤传感领域的广泛关注，拥有巨大的潜在应用价值，成为了光纤传感领域新的研究热点。然而需要注意的是，目前基于光子晶体光纤的spr传感器仍然数量众多，且多数结构存在制造工艺复杂，损耗大、检测距离不长、金属镀膜困难等缺点。


技术实现要素：

4.本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供一种结构极简的arf-spr液体传感器，不但损耗低，而且检测距离较长。
5.本发明采用的技术方案为：一种结构极简的arf-spr长距离液体检测传感器(arf-spr为反谐振光纤表面等离子体共振的缩写)，所述arf-spr长距离液体检测传感器为反谐振光纤，反谐振光纤的外层大玻璃管内内切有6组连体反谐振管，连体反谐振管由连体的大反谐振管和小反谐振管组成，6组连体反谐振管呈正六边形排列；所述外层大玻璃管的外表面涂覆有环烯烃共聚物；所述连体反谐振管中x轴的正半轴方向的大反谐振管内填充有介质金，其余的负曲率大反谐振管和小反谐振管内均填充有空气；所述外层大玻璃管、大反谐振管和小反谐振管的材料为二氧化硅。
6.进一步的，所述大反谐振管排列在内层的正六边形上，所述小反谐振管排列在外层的正六边形上。
7.进一步的，所述大反谐振管的内径为4.5μm-5.1μm，其管壁的厚度为0.4μm-0.6μm。
8.进一步的，所述大反谐振管的内径为4.8μm，其管壁的厚度为0.5μm。
9.进一步的，所述小反谐振管的内径为3.8μm-4.2μm，其管壁的厚度为0.4μm-0.6μm。
10.进一步的，所述小反谐振管的内径为4μm，其管壁的厚度为0.5μm。
11.进一步的，所述外层大玻璃管的内径为32μm-40μm，其管壁的厚度为0.4μm-0.6μm。
12.进一步的，所述外层大玻璃管的内径为36μm，其管壁的厚度为0.5μm。
13.进一步的，所述外层大玻璃管内除6组连体管外的位置都填充待测溶液。
14.本发明的有益效果：提供了一种结构极简的arf-spr液体传感器，不但损耗低，而且检测距离较长。其主要优点如下：
15.(1)、arf-spr液体传感器只含有六组完全相同的连体反谐振管，结构极为简单，利用管堆叠法即可生产；
16.(2)、arf-spr液体传感器使用在负曲率管内填充金介质等离子体材料的方法激发spr，相对于在气孔内镀金属膜的传统方法更为简单方便；
17.(3)、arf-spr液体传感器利用反谐振光纤特有的反谐振条件降低了限制损耗，使基模传输效率更高；
18.(4)、arf-spr液体传感器的体积很小，便于安装和使用；
19.(5)、arf-spr液体传感器的折射率检测范围是1.32-1.44，可检测多种液体的有效折射率；
20.(6)、arf-spr液体传感器的平均波长灵敏度高达14833.33nm/riu；
21.(7)、arf-spr液体传感器的最长检测距离高达133.81m
22.(8)、arf-spr液体传感器的涂覆层选用了环烯烃共聚物材料，这种材料不但加工简单，而且成本更低，耐用性强。
附图说明：
23.图1是实施例一中反谐振光纤的横截面示意图；
24.图2是实施例一中arf-spr液体传感器的共振波长与待测溶液折射率的对应关系图；
25.图3是实施例一中arf-spr液体传感器的不同待测溶液折射率与检测距离的变化规律图；
26.图4是实施例一的液体折射率检测过程图。
具体实施方式：
27.参照各图，一种结构极简的arf-spr长距离液体检测传感器，所述arf-spr长距离液体检测传感器为反谐振光纤，反谐振光纤的外层大玻璃管2内内切有6组连体反谐振管3，连体反谐振管3由连体的大反谐振管4和小反谐振管5组成，6组连体反谐振管3呈正六边形排列；所述外层大玻璃管2的外表面涂覆有环烯烃共聚物1；所述连体反谐振管3中x轴的正半轴方向的大反谐振管4内填充有介质金7，其余的大反谐振管4和小反谐振管5内均填充有空气8；所述外层大玻璃管2、大反谐振管4和小反谐振管5的材料为二氧化硅；所述大反谐振管4排列在内层的正六边形上，所述小反谐振管5排列在外层的正六边形上；所述大反谐振管4的内径为4.8μm，其管壁的厚度为0.5μm；所述小反谐振管5的内径为4μm，其管壁的厚度为0.5μm；所述外层大玻璃管2的内径为36μm，其管壁的厚度为0.5μm，外层大玻璃管2内填充待测液体6。
28.当入射光从光密介质反谐振管进入光疏介质空气所产生倏逝波的传播常数与金介质内的等离子体波的传播常数相等时，将产生spr现象，此时光子能量将转移至金属表面
产生损耗；而损耗位于峰值时对应的波长即为共振波长，待测液体折射率的不同会使共振波长产生偏移，从而实现传感的功能。
29.当光入射到反谐振光纤内部的时候，光从光密介质进入光疏介质时将沿着传播方向产生一个倏逝波，而表面等离子体波则是以固定的模式在金介质内传播。当反谐振光纤内某一波长的倏逝波与金介质内的表面等离子体波的传播常数相同时，金介质表面的自由电子发生集体震荡，使得反谐振光纤内的光子能量耦合到金介质内，光纤内光子能量减少，即反谐振光纤内发生了能量损耗。如果将能量损耗到达峰值时对应的波长定义为共振波长，则它会随着待测溶液折射率的变化出现规律的移动，从而实现液体折射率传感的功能。
30.通过有限元法可以建立本发明的arf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所示的共振波长与待测溶液折射率之间的函数关系图，拟合直线的拟合方程为：
31.λ(μm)＝22.52-14.56na，1.32≤na≤1.44
32.这里λ为共振波长，单位为μm，na是待测液体的折射率，单位为riu。
33.本传感器的平均波长灵敏度可由下式决定：
[0034][0035]
这里，δλ为共振波长的位移量，ana代表待测液体折射率的变化量；需要注意的是拟合方程的斜率即为本发明的平均波长灵敏度，其大小为14833.33nm/riu。
[0036]
本传感器检测距离可由下式来计算：
[0037][0038]
这里和分别是反谐振光纤基模的两个偏振态的有效折射率实部，arf-spr液体传感器在不同折射率待测溶液下的检测距离如图3所示，最长检测距离长达133.81m。
[0039]
本传感器的液体折射率检测过程如图4所示。将要检测的液体用加压注入的方法使其进入大玻璃管，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，继而得到待测液体的折射率。