基于双膜层结构的光纤LMR传感探针系统

本发明属于光纤传感器，具体涉及一种基于双膜层结构的光纤lmr传感探针系统。

背景技术：

1、光纤lmr（lossy mode resonance，损失模共振）传感器作为光纤表面波传感器的重要分支，具有易制备、灵敏度高、薄膜材料来源广泛、成本低等优势，因此，相关的研究和应用层出不穷。但是，需要注意的是，与光纤spr（surface plasmon resonance, 表面等离子体共振）只能由tm（transverse magnetic wave，横磁波）偏振光激发不同，光纤lmr的产生不仅可由tm偏振光激发，而且还可由te（transverse electric wave，横电波）偏振光激发，因此，在自然光入射的条件下，光纤lmr的共振光谱是由te/tm偏振光共同激发的结果，这也导致了二者共振光谱信号的混叠，难以区分，总的共振光谱所表现出的半峰全宽较宽，使得检测精度下降。因此，偏振控制器件成为了解决此类问题的首选，以筛选出单一偏振激发的lmr，进而获取更高的检测精度。但是相关的光学偏振控制器件不仅价格昂贵，需要更加复杂的光路系统，而且不能达到双共振同时应用于传感的效果。

2、基于此，开发高检测精度、低检测限、高可靠性、经济便捷的光纤lmr传感器具有重要的研究意义和应用前景。

技术实现思路

1、针对现有光纤lmr传感器的技术缺陷，本发明提供了一种基于双膜层结构的光纤lmr传感探针系统，其目的在于利用双膜层结构解决由te/tm偏振光激发的lmr光谱信号交叉串扰问题，实现由te/tm偏振光激发的lmr的共振波长分离，达到双共振同时应用于传感的效果，不仅可以提升检测精度，降低检测限，而且双共振的实验结果相互验证，以保证高可靠性。

2、本发明利用以下技术方案实现：

3、一种基于双膜层结构的光纤lmr传感探针系统，该系统包括超连续谱光源、y型光纤束、双膜层光纤lmr传感探针、光纤光谱仪和上位机软件；其中，所述双膜层光纤lmr传感探针通过所述y型光纤束分别与所述超连续谱光源和所述光纤光谱仪进行连接，所述光纤光谱仪将来自所述双膜层光纤lmr传感探针的共振光谱传送至所述上位机软件进行采集；

4、所述超连续谱光源的波段范围为400~2400 nm；

5、所述y型光纤束的纤芯直径为400 μm；

6、所述双膜层光纤lmr传感探针由内到外依次为去除包层的大芯径多模光纤、低折射率匹配层、损失模激发层；

7、所述光纤光谱仪的波长分辨率为0.24 nm。

8、进一步地，所述低折射率匹配层为mgf2膜层、厚度为100~500 nm。

9、进一步地，所述损失模激发层为ito膜层，厚度为300 nm。

10、一种基于双膜层结构的光纤lmr传感探针的制备方法，包括如下步骤：

11、步骤1、使用锋利刀片去除大芯径多模光纤的塑料包层，露出厘米量级长度的纤芯；在进行纤芯的清洁处理后，利用大芯径多模光纤切割刀对裸露纤芯部分的光纤进行切割，得到具有平整端面的去除包层的大芯径多模光纤；

12、步骤2、利用射频磁控溅射设备从mgf2靶材上对去除包层的大芯径多模光纤的侧壁均匀溅射致密平整的低折射率匹配层：将去除包层的大芯径多模光纤固定于射频磁控溅射设备中，当腔体的基本压力低于1.0×10-5 pa时，将ar（99.999%）和sf6（99.999%）混合气体引入腔体至0.60 pa，混合比例为ar：sf6=200：3，溅射功率为200 w；

13、步骤3、将溅射有mgf2膜层的去除包层的大芯径多模光纤置于射频磁控溅射设备中，利用ito靶材（in2o3:sno2=90:10 wt%）对其均匀溅射致密平整的损失模激发层：当腔体的基本压力低于1.0×10-5 pa时，将ar（99.999%）以100 sccm的流速引入腔体至1.0 pa，溅射功率为100 w，得到双膜层光纤lmr传感探针。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果及显著进步在于：

15、1、利用双膜层结构解决光纤lmr传感器存在的由te/tm偏振光激发的lmr光谱信号交叉串扰问题，实现由te/tm偏振光激发的lmr共振波长分离；

16、分别建立由te/tm偏振光激发的lmr共振波长的移动量与折射率的关系，实现折射率传感，达到了双共振相互验证的效果，不仅可以提升检测精度，降低检测限，而且te/tm双共振波长的实验结果相互验证，以保证高可靠性；

技术特征：

1.一种基于双膜层结构的光纤lmr传感探针系统，其特征在于，该系统包括超连续谱光源、y型光纤束、双膜层光纤lmr传感探针、光纤光谱仪和上位机软件；其中，所述双膜层光纤lmr传感探针通过所述y型光纤束分别与所述超连续谱光源和所述光纤光谱仪进行连接，所述光纤光谱仪将来自所述双膜层光纤lmr传感探针的共振光谱传送至所述上位机软件进行采集；

2.如权利要求1所述的一种基于双膜层结构的光纤lmr传感探针系统，其特征在于，所述低折射率匹配层为mgf2膜层、厚度为100~500 nm。

3.如权利要求1所述的一种基于双膜层结构的光纤lmr传感探针系统，其特征在于，所述损失模激发层为ito膜层，厚度为300 nm。

4.一种基于双膜层结构的光纤lmr传感探针的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于双膜层结构的光纤LMR传感探针系统，由超连续谱光源、Y型光纤束、双膜层光纤LMR传感探针、光纤光谱仪和上位机软件组成；所述双膜层光纤LMR传感探针由内到外依次为去除包层的大芯径多模光纤、低折射率匹配层、损失模激发层，解决了由TE/TM偏振光激发的LMR光谱信号交叉串扰问题，在光谱上表现为由TE/TM偏振光激发的LMR共振波长互不影响，因此产生双共振效果。本发明提出的双膜层光纤LMR传感探针系统不仅实现了检测精度的大幅度提升，且双共振传感结果可相互验证，进一步保证了实验结果的可靠性。

技术研发人员：王双,代小爽,刘铁根,江俊峰,谭珂,刘宏宇
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15