基于mof双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器
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双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器。
背景技术：2.随着光纤传感技术的不断发展，光纤传感技术已广泛应用于航空航天、交通运输、基建检测等方面，因为其具有安全性好、抗电磁干扰、灵敏度高等特性，在传感领域起到不可或缺的作用。
3.目前研究最多的光纤折射率传感器结构，如法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、布拉格光栅等。其中，基于等离子体共振(spr)原理制成的光纤折射率传感器受到越来越多的关注，其增敏方法主要分为两种：改变光纤结构或spr激发材料。然而，研究结构增敏方法不但成本高，且制备工艺更复杂，故通过改变膜层材料来提高spr传感器灵敏度是目前的研究热点。
4.近年以来，利用金、银等金属材料，与半导体材料、二维材料等制成的人工双曲超材料光纤传感器的研究愈发火热，尤其是针对于环境折射率变化敏感的传感器，其易于调节的材料色散性质，使得折射率灵敏度较基于传统材料的光纤spr传感器要高出很多。然而，对于人工双曲超材料，具有不同晶体特性的不同材料在亚波长尺度上有序生长是极具挑战性的，并且具有较大的能量损耗。
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双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器，相较于人工超材料，mof自然双曲超材料不需要人工构造，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，没有用于电子散射的内部界面，能量损失会远低于人工超材料；并且利用mof材料的多孔性质，能改善传感器对气体的吸附和脱附能力，进一步提高其传感灵敏度。
6.本发明通过以下技术方案实现：
7.一种基于mof双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器，包括光纤微结构和mof超材料结构，共同构成折射率敏感区域，光纤的两端分别设置光源和光谱仪；光纤微结构由单模光纤和锥形光纤或侧边抛磨光纤构成；锥形光纤通过氢氧焰熔融拉锥或电弧放电拉锥等方法制作；侧边抛磨光纤可由高精度抛磨机研磨或氢氟酸腐蚀获得；cu-bht类型的mof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，为自然双曲超材料；利用化学生长的方法将mof层生长在光纤微结构区，通过控制生长时间调节材料层厚度；通过电子掺杂mof在某一波段使垂直和平行介电常数分量异号，获得易调节双曲色散关系，以此产生综合性能更好的spr响应；在进行气体折射率监测时，只需将覆有超材料的光纤微结构放置其中，通过监测spr波谷漂移量即可。
8.本发明的工作原理：经由单模光纤传输的光波在经由光纤微结构时产生倏逝波，
其与mof双曲超材料层的自由电子频率一致时产生spr，使得自由电子吸收能量，光的全反射在长有mof双曲超材料处遭到破坏，即实现共振吸收，共振吸收波长随外界折射率变化而变化，因此通过监测共振谷就可以检测外界折射率数据，即spr折射率增强型传感器。
9.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
10.1、本发明利用自然双曲超材料作为spr激发材料，通过化学生长方法制备，能很好地在亚波长尺度上有序生长；
11.2、本发明利用mof构成双曲超材料，其较与人工超材料没有用于电子散射的内部界面，能量损失会远低于人工超材料；
12.3、本发明利用mof双曲超材料自身的多孔特性，能改善传感器对气体的吸附和脱附能力，进一步提高其传感灵敏度。
附图说明
13.图1是基于mof双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器结构示意图。
14.图中：1、光源；2、输入单模光纤；3、气氛室；4、输出单模光纤；5、光谱仪；6、拉锥无芯光纤；7、mof双曲超材料。
具体实施方式
15.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。
16.本发明的基于mof双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器，如图1所示，包括金属有机骨架(mof)双曲超材料结构和光纤微结构；光纤微结构为锥形光纤或侧边抛磨光纤，mof超材料涂覆在光纤微结构处，共同构成传感区域，光纤传感区域两端分别利用单模光纤连接光源和光谱仪。该传感器主要针对于气体折射率传感，如二氧化碳、二氧化氮、甲烷等。
17.进一步，锥形光纤或侧边抛磨光纤可利用多模光纤、无芯光纤、光子晶体光纤等制作。拉锥光纤可利用氢氧焰熔融拉锥或电弧放电拉锥等方法制作；侧边抛磨光纤可由高精度抛磨机研磨或氢氟酸腐蚀获得。
18.mof材料为cu-benzenehexathial(cu-bht)等金属有机骨架；mof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，属于一种自然双曲超材料。mof材料结构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材料可通过电子掺杂获得双曲特性，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。
19.工作原理：经由单模光纤传输的光波在经由光纤微结构时产生倏逝波，其与mof双曲超材料层的自由电子频率一致时产生spr，使得自由电子吸收能量，光的全反射在长有mof双曲超材料处遭到破坏，即实现共振吸收，共振吸收波长随外界折射率变化而变化，因此通过监测共振谷就可以检测外界折射率数据，即spr折射率增强型传感器。
20.本实施例的基于mof双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器，由mof双曲超材料结构和光纤微结构组成，如图1所示，两结构共同构成传感区域，置于气氛室3内，光纤的
两端分别设置光源1和光谱仪5，分别利用输入单模光纤2和输出单模光纤4连接；光纤微结构主要利用拉锥无芯光纤6，然后利用化学生长方法在锥区表面长一定厚度的mof层，通过电子掺杂使其在某一波段范围内满足双曲色散性质，构成mof双曲超材料7。
21.单模光纤包层直径为125μm，芯径为8.3μm；无芯光纤包层直径为125μm，锥区直径为20-50μm，其折射率由斯涅尔方程给出：
[0022][0023]
其中，a1＝0.6961663，b1＝0.0684043，a2＝0.4079426，b2＝0.1162414，a3＝0.8774794，b3＝9.896161，λ为工作波长，单位为μm。经由拉锥无芯光纤传输的光波会有一部分以倏逝波的形式向前传输，其波矢可表达为：
[0024][0025]
其中，ε
co
代表无芯光纤折射率，c代表光速，θ代表光波入射角。
[0026]
本实施例中的mof双曲超材料为cu-bht，其介电常数可由drude模型描述：
[0027]
εm＝re(εm)+im(εm)
[0028][0029]
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。
[0030]
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：
[0031][0032]
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。
[0033]
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双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器，其特征在于，包括光纤微结构和mof双曲超材料层；光纤微结构为锥形光纤或侧边抛磨光纤；mof双曲超材料涂覆在光纤微结构处，形成mof双曲超材料层；光纤微结构和mof双曲超材料层共同构成传感区域，光纤传感区域两端分别连接光源和光谱仪；光波在经由光纤微结构时产生倏逝波，其与mof双曲超材料层的自由电子频率一致时产生spr，使得自由电子吸收能量，光的全反射在长有mof双曲超材料处遭到破坏，即实现共振吸收，共振吸收波长随外界折射率变化而变化，因此通过监测共振谷即可检测外界折射率。2.根据权利要求1所述的基于mof双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器，其特征在于，锥形光纤或侧边抛磨光纤由多模光纤、无芯光纤或光子晶体光纤制作而成。3.根据权利要求1或2所述的基于mof双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器，其特征在于，拉锥光纤利用氢氧焰熔融拉锥或电弧放电拉锥的方法制作，侧边抛磨光纤由高精度抛磨机研磨或氢氟酸腐蚀获得。4.根据权利要求1所述的基于mof双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器，其特征在于，mof双曲超材料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。5.根据权利要求1所述的基于mof双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器，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。6.根据权利要求1所述的基于mof双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器，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。7.根据权利要求1所述的基于mof双曲超材料的折射率增强型spr光纤传感器，其特征在于，光纤传感头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双曲超材料的折射率增强型SPR光纤传感器，包括光纤微结构和MOF双曲超材料层；光纤微结构为锥形光纤或侧边抛磨光纤；MOF双曲超材料涂覆在光纤微结构处，形成MOF双曲超材料层；光纤微结构和MOF双曲超材料层共同构成传感区域，光纤传感区域两端分别连接光源和光谱仪。本发明利用自然双曲超材料作为SPR激发材料，通过化学生长方法制备，能很好地在亚波长尺度上有序生长；本发明利用MOF构成双曲超材料，其较与人工超材料没有用于电子散射的内部界面，能量损失会远低于人工超材料；本发明利用MOF双曲超材料自身的多孔特性，能改善传感器对气体的吸附和脱附能力，进一步提高其传感灵敏度。进一步提高其传感灵敏度。进一步提高其传感灵敏度。
技术研发人员：周爱 李俊 刘佳欣 徐明靖 周麒麟 姚伟康
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
