基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器
技术领域
1.本发明属于光学传感器领域，具体涉及一种基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器。
背景技术：2.气压指作用在单位面积上的大气压力，是日常生活和工业生产中一项重要的环境参数，对气压进行实时的监测在天气预警、石油开采、医疗卫生等领域显得尤为重要。随着技术的不断革新和工业革命的前进，人们对气压的监测设备做了很多改善与创新，目前常见的电容式和压阻式电化学气压传感器，很大程度上提高了测量精度，但当外界磁场发生变化时就会影响到气压测量的准确性；在一些易燃易爆领域应用时还面临着安全问题。
3.因此为了解决传统电学传感器所带来的劣势，光纤气压传感器逐渐进入广大学者的视野，旨在解决传统传感器带来的弊端，同时光纤传感器还具有尺寸小、快速响应等优点。光纤spr的传感原理是基于外界环境按照其变化规律对应传输光波的强度、波长、频率、相位等物理参量的改变，通过测量光参量的改变感知外界环境的变化。但传统spr的灵敏度较低，很难应用于一些微量变化的传感。tfbg由于其特殊的极化激发模式，可以通过多模式耦合共振将光纤外表面能量密度大幅度提升，在低浓度检测中有很大优势。
4.现有的研究主要通过传统的银、金等制备离激元层的形式制作tfbg型spr传感器，存在色散修正系数小、损耗大和气体亲和性小等多方面问题。
技术实现要素：5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，mof双曲超材料作为一种自然双曲超材料，结构包括金属离子、有机骨架和位于有机骨架中的周期性空气孔，具有双曲性质的介电张量，将其作为spr激发材料生长在光纤表面，由于不存在电子散射的内部界面，可以有效降低能量损耗；同时，通过电子掺杂可以灵活控制其自身色散，从而实现谐振波长的自由调节以提高spr传感器的灵敏度；另外，具有特殊多孔结构的mof材料具有很好的气体亲和性，可以快速吸附和脱附气体，使传感器的灵敏度和响应时间获得进一步优化。此外，通过tfbg震荡的模式调控可以保证输出信号的稳定性和传感器结构的稳定性。
6.本发明通过以下技术方案实现：
7.一种基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，由tfbg和在tfbg表面生长的mof双曲超材料层共同构成传感区域，传感区域的两端分别通过单模光纤连接光源和光谱仪，传感器主要用于气压传感。
8.进一步，单模光纤包层直径为125μm，芯径为8.3μm。
9.进一步，tfbg可利用相位掩模板、飞秒激光、紫外曝光、氩离子激光器等方法制作。tfbg的长度为0.5～2cm、倾斜角度为1
°
～10
°
。
10.进一步，mof材料的结构中具有周期排布的金属有机骨架和空气孔，属于一种自然
双曲超材料。mof材料为cu-benzene-1，3，5-tricarboxylate(cu-btc)等金属有机骨架。mof材料主要通过化学生长方法长在光纤表面，通过控制生长时间来调节材料层厚度。mof双曲超材料可通过电子掺杂控制材料色散，表现为在某一波段范围内垂直和平行介电常数分量异号。
11.本发明的工作原理：经由tfbg将纤芯中传播的基模激发到包层模，产生的倏逝波会渗透到mof双曲超材料界面，引发超材料层中的自由电子产生表面等离子体波，当两者频率相等发生共振，界面处会出现衰减全反射的现象，出现spr谐振谷。当外界环境中的气压变化时，其进入到mof孔中气体分子数不同，引起mof的折射率变化，从而导致双曲超材料层表面激发的spr波谷发生漂移，根据其漂移量对气压进行传感响应。
12.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
13.1、本发明利用mof自然双曲超材料作为spr激发材料，通过电子掺杂可以灵活控制材料色散，并且因为mof双曲超材料没有电子散射的内部界面，能量损失会远低于人工双曲超材料；
14.2、本发明利用mof材料涂敷在光纤表面作为气敏材料，其多孔结构可以有效提升传感器的灵敏度，降低气体吸附与解附时间；
15.3、利用tfbg产生倏逝波，并传导光信号，传感器的体积小、可满足不同情况下的气压检测，克服了超材料传感器仅能在特定环境下使用的不足。
附图说明
16.图1为本发明气压传感器的激发和探测系统示意图；
17.图2为倾斜光纤光栅及栅区上覆的mof双曲超材料层。
18.图中：1、光源；2、输入单模光纤；3、气压装置；4、输出单模光纤；5、光谱仪；6、tfbg；7、mof双曲超材料。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
20.本发明涉及一种基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，特别涉及利用mof双曲超材料激发表面等离子体共振(spr)，属于光学传感器领域。
21.本发明的一种基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，如图1所示，包括单模光纤和传感区域，传感区域包括在单模光纤纤芯上制作的倾斜光纤光栅tfbg 6和生长在tfbg包层表面的金属有机骨架mof双曲超材料7。传感区域置于气压装置3内，传感区域两端分别由输入单模光纤2和输出单模光纤4连接光源1和光谱仪5。
22.进一步，单模光纤包层直径为125μm，芯径为8.2μm。
23.进一步，倾斜光纤光栅可利用相位掩模板、飞秒激光等方法在单模光纤的纤芯上制作，倾斜光栅长度为0.5～2cm，倾斜角度为1
°
～10
°
。
24.进一步，mof材料结构中具有周期排布的金属有机骨架和空气孔，属于一种自然双
曲超材料。mof双曲超材料为cu-benzene-1，3，5-tricarboxylate(cu-btc)等金属有机骨架；mof材料主要通过化学生长方法长在tfbg包层表面，通过控制生长时间来调节材料层厚度。mof双曲超材料可通过电子掺杂调节自身色散，表现为在某一波段范围内垂直和平行介电常数分量异号。
25.工作原理：经由tfbg将纤芯中传播的基模激发到包层模，产生的倏逝波会渗透到mof双曲超材料界面，引发超材料层中的自由电子产生表面等离子体波，当两者频率相等发生共振，界面处会出现衰减全反射的现象，出现spr谐振谷。当外界环境中的气压变化时，其进入到mof孔中气体分子数不同，引起mof的折射率变化，从而导致双曲超材料层表面激发的spr波谷发生漂移，根据其漂移量对气压进行传感响应。
26.本实施例提供一种基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，由在单模光纤上制作的tfbg和mof双曲超材料层组成，二者共同构成气压传感区域，光纤的两端分别设置光源和光谱仪。
27.本实施例中，光纤结构是利用单模光纤和在单模光纤上制作的tfbg，单模光纤包层直径为125μm，芯径为8.3μm。
28.如图2所示，tfbg是利用紫外曝光在载氢后的单模光纤上制成，长度为0.5～2cm，角度θ为1～10
°
，周期为λ
θ
，tfbg的谐振波长满足相位匹配条件：
[0029][0030]
其中，为纤芯的有效折射率，为包层的有效折射率。
[0031]
mof双曲超材料(本实施例中为cu-btc)主要通过化学生长工艺长在tfbg表面，通过控制生长时间调节其材料层厚度，并利用电子掺杂使其在某一段长范围内实现双曲色散性质。其介电常数可由drude模型描述：
[0032]
εm＝re(εm)+im(εm)
[0033][0034]
其中，ω
p
代表等离子体频率，γ代表碰撞频率，ω代表入射光角频率。
[0035]
通过电子掺杂改变其垂直和平行介电常数分量大小，在某一波段范围二者异号，其表面等离子波波矢可以表示为：
[0036][0037]
当倏逝波的水平分量波矢与激发材料的表面等离子波波矢实部满足相位匹配，即k
x
＝re(k
sp
)，产生spr，通过监测spr波谷可判断外界气体折射率变化。
[0038]
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，其特征在于，包括单模光纤和传感区域；传感区域包括在单模光纤纤芯上制作的倾斜光纤光栅tfbg和生长在tfbg包层表面的mof双曲超材料，传感区域两端分别连接光源和光谱仪；经由tfbg将纤芯中传播的基模激发到包层模，产生的倏逝波渗透到mof双曲超材料界面，引发超材料层中的自由电子产生表面等离子体波，当两者频率相等发生共振，界面处出现衰减全反射的现象，出现spr谐振谷；当外界环境中的气压变化时，其进入到mof孔中气体分子数不同，引起mof的折射率变化，从而导致双曲超材料层表面激发的spr波谷发生漂移，根据其漂移量对气压进行传感响应。2.根据权利要求1所述的基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，其特征在于，倾斜光纤光栅长度为0.5～2cm，倾斜角度为1
°
～10
°
。3.根据权利要求1所述的基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，其特征在于，单模光纤的包层直径为125μm，芯径为8.2μm。4.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，其特征在于，倾斜光纤光栅利用相位掩模板或飞秒激光方法在单模光纤的纤芯上制作。5.根据权利要求1所述的基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，其特征在于，mof双曲超材料通过化学生长方法长在tfbg包层表面，通过控制生长时间来调节材料层厚度。6.根据权利要求1或5所述的基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，其特征在于，mof双曲超材料的结构包括金属离子、有机骨架和位于有机骨架中的周期性空气孔，有机骨架为cu-benzene-1，3，5-tricarboxylate金属有机骨架。7.根据权利要求1所述的基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，其特征在于，mof双曲超材料通过电子掺杂mof获得，表现为在某一波段范围内其垂直和平行介电常数分量异号。8.根据权利要求1所述的基于mof双曲超材料的tfbg气压传感器，其特征在于，传感区域两端分别利用单模光纤连接光源和光谱仪。
技术总结本发明公开了一种基于MOF双曲超材料的TFBG气压传感器，包括单模光纤和传感区域；传感区域包括在单模光纤纤芯上制作的倾斜光纤光栅TFBG和生长在TFBG包层表面的MOF双曲超材料，传感区域两端分别连接光源和光谱仪；经由TFBG将纤芯中传播的基模激发到包层模，产生的倏逝波渗透到MOF双曲超材料界面，引发超材料层中的自由电子产生表面等离子体波，当两者频率相等发生共振，界面处出现衰减全反射的现象，出现SPR谐振谷；当外界环境中的气压变化时，其进入到MOF孔中气体分子数不同，引起MOF的折射率变化，从而导致双曲超材料层表面激发的SPR波谷发生漂移，根据其漂移量对气压进行传感响应。本发明的TFBG气压传感器能量损失低，传感器的灵敏度高，适应环境广。适应环境广。适应环境广。
技术研发人员：周爱 徐明靖 李俊 刘佳欣 荆重录 周麒麟
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2022.07.08
技术公布日：2022/11/1
