一种光纤传感器及检测方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112816442 A(43)申请公布日 2021.05.18

(21)申请号 202011569431.1(22)申请日 2020.12.26

(71)申请人 广东工业大学

地址 510060 广东省广州市越秀区东风东

路729号大院(72)发明人 张辉　刘源　吴傲　赵韦人　何苗　

宋静周　(74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限

公司 11227

代理人 贾小慧(51)Int.Cl.

G01N 21/552(2014.01)

权利要求书1页 说明书6页 附图5页

(54)发明名称

一种光纤传感器及检测方法(57)摘要

本申请涉及光纤传感的技术领域，尤其涉及一种光纤传感器及检测方法。本申请提供了一种光纤传感器及检测方法，包括：光纤和检测组件；所述检测组件设置在所述光纤的检测端面上；所述检测组件包括条状凸起金属结构组；且所述条状凸起金属结构组在所述光纤的端面上呈周期性排列；所述条状凸起金属结构组包括由多条相互平行对齐的条状凸起金属结构组成。本申请提供了一种光纤传感器及检测方法，能有效解决传统传感器的体积普遍较大，灵敏度低、测量精度不高、加工复杂的技术问题。

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权　利　要　求　书

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1.一种光纤传感器，其特征在于，包括：光纤和检测组件；

所述检测组件设置在所述光纤的检测端面上；所述检测组件包括条状凸起金属结构组；且所述条状凸起金属结构组在所述光纤的端面上呈周期性排列；

所述条状凸起金属结构组包括由多条相互平行对齐的条状凸起金属结构组成。2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述条状凸起金属结构的高度为40nm～100nm。

3.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述条状凸起金属结构的长度L1为50nm～70nm。

4.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述条状凸起金属结构的宽度L2为15nm～30nm。

5.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，相邻两条所述条状凸起金属结构的轴线的间隔W为10nm。

6.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所有所述条状凸起金属结构组的在所述条状凸起金属结构轴向的总长度P1为500～800nm。

7.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所有所述条状凸起金属结构组的在所述条状凸起金属结构径向的总长度P2为500～800nm。

8.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述条状凸起金属结构的材质为金、银或铝。

9.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述检测组件通过聚焦离子束直写技术、纳米压印图形转移技术或电子束光刻技术等设置在所述光纤的检测端面上。

10.一种采用权利要求1至9任意一项所述的光纤传感器的检测方法，其特征在于，包括：

将权利要求1至9任意一项所述光纤传感器的检测端面置于待测物上，所述光纤中入射光束，根据不同折射率待测物的反射光谱曲线图，判断所述待测物的折射率；或根据反射光谱共振波长的变化来检测所述待测物折射率的变化。

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一种光纤传感器及检测方法

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技术领域

[0001]本申请涉及光纤传感的技术领域，尤其涉及一种光纤传感器及检测方法。背景技术

[0002]随着科学技术的发展，云计算、物联网时代的到来，人们对数据传输和感测能力的需求不断提高，传感器的应用越来越广泛。[0003]但是，现有的传感器的体积普遍较大，灵敏度低、测量精度不高、加工复杂。因此，寻求新的物理机制及结构设计提高传感器灵敏度是当务之急，研发一种体积小、精度和灵敏度高、易于集成的传感器是本领域技术人员亟需解决的技术问题。发明内容

[0004]本申请提供了一种光纤传感器及检测方法，能有效解决传统传感器的体积普遍较大，灵敏度低、测量精度不高、加工复杂的技术问题。[0005]有鉴于此，本申请第一方面提供了一种光纤传感器及检测方法，包括：[0006]光纤和检测组件；

[0007]所述检测组件设置在所述光纤的检测端面上；[0008]所述检测组件包括条状凸起金属结构组；且所述条状凸起金属结构组在所述光纤的端面上呈周期性排列；

[0009]所述条状凸起金属结构组包括由多条相互平行对齐的条状凸起金属结构组成。[0010]另一些实施例中，所述条状凸起金属结构的高度为40nm～100nm。[0011]另一些实施例中，所述条状凸起金属结构的长度L1为50nm～70nm。[0012]另一些实施例中，所述条状凸起金属结构的宽度L2为15nm～30nm。[0013]另一些实施例中，相邻两条所述条状凸起金属结构的轴线的间隔W为10nm。[0014]另一些实施例中，所述条状凸起金属结构的数量由光纤直径决定，光纤的直径越大，即条状凸起金属结构的数量越多。[0015]另一些实施例中，所述条状凸起金属结构组的数量由光纤直径决定，光纤的直径越大，即条状凸起金属结构组的数量越多。[0016]另一些实施例中，所有所述条状凸起金属结构组的在所述条状凸起金属结构轴向的总长度P1为500～800nm。[0017]另一些实施例中，所有所述条状凸起金属结构组的在所述条状凸起金属结构径向的总长度P2为500～800nm。[0018]另一些实施例中，所述条状凸起金属结构的材质为金、银或铝。[0019]另一些实施例中，所述检测组件通过聚焦离子束直写技术、纳米压印图形转移技术或电子束光刻技术设置在所述光纤的检测端面上。

[0020]本申请第二方面提供了一种采用所述光纤传感器的检测方法，包括：[0021]将所述光纤传感器的检测端面置于待测物上，所述光纤中入射光束，根据不同折

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射率待测物的反射光谱曲线图，判断所述待测物的折射率；或根据反射光谱共振波长的变化来检测所述待测物折射率的变化。[0022]另一些实施例中，所述待测物的折射率为1.33～1.38。[0023]另一些实施例中，所述待测物的折射率为1.33、1.34、1.35、1.36、1.37、1.38。[0024]另一些实施例中，所述待测物为液体、气体。[0025]另一些实施例中，所述待测物为液体。[0026]从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：[0027]本申请设计的一种光纤传感器，本申请的光纤传感器由设置在检测端面的条状凸起金属结构组构成，条状凸起金属结构组周期性均匀重复排布在检测端面上，从而使之构成一个完整的金属纳米结构阵列的光纤传感器。采用本申请的光纤传感器检测待测物时，将光纤传感器的检测端面置于待测物上，在光纤中入射光束，光束为同一偏振方向的信号光；当光纤中的信号光照射到本申请光纤传感器的检测组件上时，在条状凸起金属结构组中，会在检测端面上引起表面等离子体共振SPR现象，而造成信号光能量的吸收损耗。利用表面等离子体共振对于特定光波长的吸收，通过观测不同待测物折射率下的反射谱的变化，获得光纤传感器灵敏度，并且可以通过改变结构参数，使反射光谱的位置及大小发生了变化。从而有效的优化光纤传感器的灵敏性能。再根据已知的不同折射率待测物的反射光谱曲线图，判断待测物的折射率；或根据反射光谱共振波长的变化来检测待测物折射率的变化。可见，本申请的光纤传感器可根据待测物的折射率或折射率的变化判断出待测物的种类，以及待测物的浓度。

[0028]与现有的传感器相比，本申请光纤传感器的优点是：[0029]1、通过设置合理的结构参数可以得到一个高灵敏度的表面等离在本申请方案中，子体共振光纤传感器，具体表现为在通过固定最优结构参数，改变待测物折射率，可以测出该光纤传感器具有较高的灵敏度。[0030]2、为适应不同的检测范围，本申请的光纤传感器可通过设置不同的结构参数来调节反射峰的波谱位置，进而可以根据需要来设计结构参数，大大提高了适用范围，能够广泛的应用于环境监测与食品安全等领域。[0031]3、本申请的光纤传感器结构简单，封装尺寸小，能为光电子器件提供一种高灵敏度光纤传感器。

附图说明

[0032]图1为本申请提供的一种光纤传感器的三维结构示意图。

[0033]图2为本申请提供的一种光纤传感器的条状凸起金属结构组的二维结构示意图。[0034]图3为本申请提供的一种光纤传感器的条状凸起金属结构的二维结构示意图。[0035]图4为本申请提供的采用不同的条状凸起金属结构的高度时反射光谱曲图。

[0036]图5为本申请提供的采用不同金属材料的条状凸起金属结构时对应反射光谱曲图。

[0037]图6为本申请提供的光纤传感器检测不同待测分析物的折射率时反射光谱曲图。[0038]图7为本申请提供的光纤传感器在外界待测物折射率改变时不同共振波长的数据点及其线性拟合线；折射率n＝1.33～1.40范围内，A峰(940nm处)、B峰(1023nm处)在不同的

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外界待测物下折射率与共振波长对应关系图，线性拟合直线斜率为折射率灵敏度。具体实施方式

[0039]下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

[0040]在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0041]在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。[0042]应理解，本申请应用于检测领域，请参阅图1～图3，图1为本申请提出的一种光纤传感器的三维结构示意图，图2为本申请提出的一种光纤传感器的条状凸起金属结构组的二维结构示意图，图3为本申请提出的一种光纤传感器的条状凸起金属结构的二维结构示意图，如图1～图3所示，图1中包括光纤1和检测组件2；检测组件2设置在光纤的检测端面1‑1上；检测组件2包括条状凸起金属结构组2‑1；且条状凸起金属结构组在光纤的端面1‑1上呈周期性排列；条状凸起金属结构组包括由多条相互平行对齐的条状凸起金属结构3组成。[0043]本申请设计的一种光纤传感器，本申请的光纤传感器由设置在检测端面1‑1的条状凸起金属结构组2‑1构成，条状凸起金属结构组2‑1周期性均匀重复排布在检测端面1‑1上，从而使之构成一个完整的金属纳米结构阵列的光纤传感器。采用本申请的光纤传感器检测待测物时，将光纤传感器的检测端面1‑1置于待测物上，在光纤中入射光束，光束为同一偏振方向的信号光；当光纤中的信号光照射到本申请光纤传感器的检测组件2上时，在条状凸起金属结构组2‑1中，会在检测端面1‑1上引起表面等离子体共振SPR现象，而造成信号光能量的吸收损耗。利用表面等离子体共振对于特定光波长的吸收，通过观测不同待测物折射率下的反射谱的变化，获得光纤传感器灵敏度，并且可以通过改变结构参数，使反射光谱的位置及大小发生了变化。从而有效的优化光纤传感器的灵敏性能。再根据已知的不同折射率待测物的反射光谱曲线图，判断待测物的折射率；或根据反射光谱共振波长的变化来检测待测物折射率的变化。可见，本申请的光纤传感器可根据待测物的折射率或折射率的变化判断出待测物的种类，以及待测物的浓度。[0044]另一些实施例中，条状凸起金属结构3的高度T为40nm～100nm。[0045]另一些实施例中，条状凸起金属结构3的高度T为50nm。[0046]具体的，条状凸起金属结构3的高度即为检测组件2的高度。[0047]另一些实施例中，条状凸起金属结构3的长度L1为50nm～70nm；条状凸起金属结构

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3的宽度L2为15nm～30nm。[0048]另一些实施例中，条状凸起金属结构3的长度L1为66nm。[0049]另一些实施例中，条状凸起金属结构3的宽度L2为20nm。[0050]另一些实施例中，相邻两条条状凸起金属结构3的轴线的间隔W为10nm。[0051]另一些实施例中，条状凸起金属结构3的数量由光纤直径决定，光纤的直径越大，即条状凸起金属结构3的数量越多。[0052]另一些实施例中，条状凸起金属结构组的数量由光纤直径决定，光纤的直径越大，即条状凸起金属结构组的数量越多。[0053]另一些实施例中，所有条状凸起金属结构组的在条状凸起金属结构3轴向的总长度P1为500～800nm。[0054]另一些实施例中，所有条状凸起金属结构组的在条状凸起金属结构3径向的总长度P2为500～800nm。[0055]另一些实施例中，所有条状凸起金属结构组的在条状凸起金属结构3轴向的总长度P1为700nm；所有条状凸起金属结构组的在条状凸起金属结构3径向的总长度P2为700nm。[0056]具体的，所有条状凸起金属结构组的在条状凸起金属结构3轴向的总长度P1即为检测组件2在条状凸起金属结构3轴向的总长度；所有条状凸起金属结构组的在条状凸起金属结构3径向的总长度P2即为检测组件2的在条状凸起金属结构3径向的总长度。[0057]另一些实施例中，条状凸起金属结构3的材质为金、银或铝。[0058]另一些实施例中，条状凸起金属结构3的材质为银。[0059]另一些实施例中，检测组件2通过聚焦离子束直写技术、纳米压印图形转移技术或电子束光刻技术设置在光纤的检测端面1‑1上。[0060]具体的，聚焦离子束直写技术、纳米压印图形转移技术或电子束光刻技术为现有常规的纳米加工技术，本申请不作具体赘述。[0061]具体的，多条条状凸起金属结构3相互平行对齐形成条状凸起金属结构组2‑1。请参阅图2，例如，7条条状凸起金属结构3相互平行对齐形成条状凸起金属结构组2‑1。[0062]另一些实施例中，多个条状凸起金属结构组2‑1以相互平行对齐的阵列状的方式周期性在光纤的检测端面1‑1上起伏排列。请参阅图3，例如，14条条状凸起金属结构3相互对齐平行形成条状凸起金属结构组2‑1，两个条状凸起金属结构组2‑1周期性相互对齐以两列排列方式形成检测组件2。[0063]具体的，条状凸起金属结构组周期性在所述光纤的端面上排列。[0064]具体的，条状凸起金属结构组在所述光纤的端面上为周期性结构，周期性结构为相同的条状凸起金属结构组以相同的间距，相互对齐，相互平行排列形成。[0065]如图2和图3所示，为了获得最佳的传感性能，需要设置不同的结构参数，其中T为条状凸起金属结构的高度，P1为所有条状凸起金属结构组的在条状凸起金属结构轴向的总长度，P2为所有条状凸起金属结构组的在条状凸起金属结构径向的总长度，L1为条状凸起金属结构的长度，L2为条状凸起金属结构的宽度，W为相邻两条条状凸起金属结构的轴线的间隔，n为外部待测物的折射率。本申请的光纤传感器可通过优化结构参数，以获得光纤传感器的灵敏度特性。在本申请中光纤传感器灵敏度S可以由下式得出：S＝Δλ/Δn其中Δλ是不同的折射率的待测物的峰值反射率对应的波长的差值，Δn是待测物的折射率之差。

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通过聚焦离子束直写技术分别在光纤的检测端面上设置四个不同高度的检测组

件，制得四种不同的光纤传感器，即条状凸起金属结构的高度分别为40nm、50nm、60nm、70nm，检测组件的材质为银，检测组件在条状凸起金属结构的轴向总长度为700nm，检测组件的在条状凸起金属结构径向的总长度为700nm，检测组件的条状凸起金属结构的长度为66nm，检测组件的条状凸起金属结构的宽度为20nm；检测组件中，相邻两条条状凸起金属结构的轴线的间隔为10nm。如图4所示，图中横坐标为入射波长，纵坐标为反射率。其工作波段λ为900nm～1100nm，在图中四条反射光谱曲线分别为不同高度的条状凸起金属结构时得出的结果。由图中结果可见，当高度为50nm时，共振波长在940nm、1023nm处产生两个共振峰。随着条状凸起金属结构的高度的增大，A峰(图4中从左往右的第一个峰)的位置没有发生改变，反射率逐渐减小，B峰(图4中从左往右的第二个峰)发生了蓝移，半高宽FWHM逐渐减小。因此可知，通过改变条状凸起金属结构的高度，可以有效改变共振峰的反射率大小和位置，从而可以通过改变条状凸起金属结构的高度来优化本申请光纤传感器的检测精度。

[0067]通过聚焦离子束直写技术分别在光纤的检测端面上设置三种不同金属材质的检测组件，即条状凸起金属结构的材质分别为银，金以及铜，制得三种不同的光纤传感器，条状凸起金属结构的高度为50nm，检测组件在条状凸起金属结构的轴向总长度为700nm，检测组件的在条状凸起金属结构径向的总长度为700nm，检测组件的条状凸起金属结构的长度为66nm，检测组件的条状凸起金属结构的宽度为20nm；检测组件中，相邻两条条状凸起金属结构的轴线的间隔为10nm。如图5所示，图中横坐标为入射波长，纵坐标为反射率，其工作波段为900nm～1100nm。从此图可看出,不同的金属材料可以使A峰(图5中从左往右的第一个峰)、B峰(图5中从左往右的第二个峰)产生明显的移动现象，反射光谱半高宽也有所改变，因此可知，通过改变金属材料，使得共振峰的反射光谱曲线位置发生了改变，从而传感器精度的选择性可以得以实现。[0068]上述图4‑图5可知，可通过改变检测组件的金属材料及其高度等参数提高本申请光纤传感器的灵敏度，获得良好的光谱曲线。为了获得最佳的传感器灵敏度，下面根据待测分析物折射率来分析传感的性能。[0069]为了获得良好的传感性能，本申请实施操作为：通过聚焦离子束直写技术分别在光纤的检测端面上设置检测组件，条状凸起金属结构的材质为银，即检测组件的材质为银，条状凸起金属结构的高度为50nm，检测组件在条状凸起金属结构的轴向总长度为700nm，检测组件的在条状凸起金属结构径向的总长度为700nm，检测组件的条状凸起金属结构的长度为66nm，检测组件的条状凸起金属结构的宽度为20nm；检测组件中，相邻两条条状凸起金属结构的轴线的间隔为10nm。通过改变待测物的折射率，计算监测反射光谱移动，用以标定本申请的光纤传感器的灵敏度特性。如图6所示，其图中6种不同的反射光谱曲线分别为不同待测物折射率n，n依次取值为1.33、1.34、1.35、1.36、1.37、1.38时得出的结果。由图结果可见，随着待测物折射率的增大，共振波长向长波长依次进行了移动，即红移现象。可以看出，改变待测物折射率可以使光谱位置发生变化，从而可以得出本申请光纤传感器的灵敏度特性。通过灵敏度特性，可以根据不同待测物折射率的性质来检测及识别各种样品，从而可以实现传感的应用价值。

[0070]本申请还给出了本光纤传感器的不同共振波长在外界待测物折射率改变时的数据点及其线性拟合线。如图7所示，图中横坐标表示为周围环境折射率的变化，纵坐标表示

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为共振峰位置处共振波长的移动。由外界分析物折射率n与透射峰共振波长λ的关系可知，图中直线的倾斜率就是本申请光纤传感器的灵敏度，共振峰A和B的灵敏度分别为SlopA＝692nm/RIU和SlopB＝32nm/RIU。因此，本申请所提供的光纤传感器，其灵敏度最高可达到692nm/RIU。另外，对于共振峰A，线性拟合的线性相关系数R2为0.99967，表明周围环境折射率与共振峰A的共振波长之间具有非常良好的线性度。这里共振峰A位置处，对应为电场量主要分布在条状凸起金属结构组表面的PSPR模式，其能与周围环境的待测物充分地相互作用，所以共振峰A表现出较高的灵敏度，而共振峰B对应的是电场量聚集在条状凸起金属结构组上LSPR模式，其与外环境待测物作用体积小，所以共振峰B表现出低灵敏度。可见，图中的两条直线分别代表共振峰A与B，A峰为共振波长较小时出现的峰、B峰为共振波长较大时出现的峰，周围环境待测物折射率n与共振波长λ对应关系的线性拟合结果。[0071]由图中结果可知，随着外界分析物折射率n增加，共振波长λ随之增大，反射谱共振峰发生红移，相同折射率变化范围内，共振峰A的移动量较多，而共振峰B只发生了微小的移动。R2接近于1也说明了光纤传感器灵敏度具有良好的线性度。

[0072]本申请所设计的光纤传感器为金属纳米条纹阵列表面等离子体光纤传感器。实际检测应用时，位于光纤的检测端面需与外界待测物充分接触，条状凸起金属结构的表面及缝隙内沉浸在待测物中。

[0073]待测物可以为各种气体、液体以及混合溶液等。[0074]待测分析物折射率n的变化会导致共振波长λ发生变化，因此可以根据共振波长λ的变化来检测折射率n的变化。为适应不同的检测范围，可以通过改变传感器的结构参数来调节共振波长的大小，各参数可单个改变也可以多个同时改变。[0075]本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例，能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。[0076]应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

[0077]以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

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