基于MOF双曲超材料的SPR二氧化碳气体光纤传感器

基于mof双曲超材料的spr二氧化碳气体光纤传感器
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spr二氧化碳气体光纤传感器。


背景技术：

2.自工业革命以来，科学技术迅猛发展，在给人类带来巨大的物质性成就时，对自然环境无节制地开发，也引发了一场全球性的环境污染。首当其冲的是过度排放的二氧化碳气体带来的温室效应，为了有效地解决该问题，工业生产的源头排放治理是急需的，一系列针对气体监测的电化学传感器应运而生。
3.然而，随着监测要求的不断提高，此类传感器在低浓度、快速响应、恶劣环境下进行气体监测显得吃力，基于光纤的气体传感器则因能有效克服这些难题，尤其是基于等离子体共振(spr)原理的光纤传感器，受到密切关注。
4.双曲超材料是一种具有双曲型色散的各向异性很强的材料，当有效介电常数或磁导率主对角元素有一个与另外两个异号时，它能达到传统单轴晶体超高各向异性的极限。相较于传统材料，其材料色散能灵活调节，然而目前研究最多两种人工双曲超材料：金属/电介质多层周期结构，金属纳米线结构，其不同构成材料具有不同的晶体特性，在亚波长尺度上有序生长非常困难，并且会带来一定的能量损耗。


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spr二氧化碳气体光纤传感器，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；同时，利用其高面内电导率和弱层间范德华耦合导致强介电各向异性，能支持更大的波矢；并得益于mof材料的多孔性质，传感器对气体的吸附和脱附能力得到改善，传感灵敏度能进一步提高。
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spr二氧化碳气体光纤传感器，由光纤微结构和mof双曲超材料层共同构成传感区域，光纤的两端分别设置光源和光谱仪，主要用于二氧化碳气体传感；光纤微结构由单模光纤和在单模光纤上制作的长周期光纤光栅组成。
8.进一步，长周期光纤光栅可利用二氧化碳激光器刻蚀、飞秒激光刻蚀、相位掩模板紫外写入等方法制得。
9.进一步，单模光纤包层直径为125μm，芯径为8.3μm；所述长周期光纤光栅周期数20-60、周期300-700μm。
10.进一步，mof双曲超材料为cu-btc等金属有机骨架；mof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；的mof双曲超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。
11.进一步，mof双曲超材料可通过电子掺杂mof获得，表现为在某一波段范围内垂直和平行介电常数分量异号。
12.本发明的工作原理：经由长周期光纤光栅将纤芯中传播的光激发到包层模，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。当外界环境中的二氧化碳气体处于不同浓度时，其进入到mof孔中的折射率会发生变化，从而导致双曲超材料层表面激发的spr波谷发生漂移，根据其漂移量对二氧化碳进行传感响应。
13.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
14.1、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；
15.2、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；
16.3、本发明利用mof双曲超材料高面内电导率和弱层间范德华耦合导致强介电各向异性，能支持更大的波矢，局域场效果增加，进一步提高传感器性能；
17.4、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
18.图1是基于mof双曲超材料的spr二氧化碳气体光纤传感器结构示意图。
19.图中：1、光源；2、输入单模光纤；3、空气室；4、输出单模光纤；5、光谱仪；6、长周期光纤光栅；7、mof双曲超材料。
具体实施方式
20.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。
21.本发明涉及一种基于长周期光纤光栅的表面等离子体共振(spr)二氧化碳气体光纤传感器，特别涉及利用mof双曲超材料激发spr，属于光学传感器领域。
22.如图1所示，本发明的一种基于mof双曲超材料的spr二氧化碳气体光纤传感器，包括金属有机骨架mof双曲超材料结构和光纤微结构；光纤微结构由单模光纤和在单模光纤上制作的长周期光纤光栅6组成，mof双曲超材料7涂覆在长周期光纤光栅6处，共同构成传感区域，传感区域置于空气室3内。光纤传感头两端分别利用输入单模光纤2和输出单模光纤4连接光源1和光谱仪5。该传感器主要针对于二氧化碳气体浓度传感。
23.其中，长周期光纤光栅可利用二氧化碳激光器刻蚀、飞秒激光刻蚀、相位掩膜板紫外写入等方法制得。单模光纤包层直径为125μm，芯径为8.3μm；长周期光纤光栅周期300-700μm、周期数20-60。
24.构成双曲超材料的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，本实施例为cu-benzene-1，3，5-tricarboxylate(cu-btc)，属于一种自然双曲
超材料；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。
25.mof双曲超材料可通过电子掺杂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。
26.其工作原理：经由长周期光纤光栅将纤芯中传播的光激发到包层模，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。当外界环境中的二氧化碳气体处于不同浓度时，其进入到mof孔中的折射率会发生变化，从而导致双曲超材料层表面激发的spr波谷发生漂移，根据其漂移量对二氧化碳进行传感响应。
27.本实施例的基于mof双曲超材料的spr二氧化碳气体光纤传感器，由光纤微结构和mof双曲超材料层组成，共同构成气敏传感区域，光纤的两端分别设置光源和光谱仪。
28.本实施例中，光纤微结构是利用单模光纤和长周期光纤光栅，单模光纤包层直径为125μm，芯径为8.3μm。长周期光纤光栅是利用二氧化碳激光器在单模光纤上刻蚀而成，周期数为20-60，周期为300-700μm。单模光纤纤芯折射率1.4501，包层折射率为1.4449。经由长周期光纤光栅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：
[0029][0030]
其中，ε
cl
代表单模光纤包层折射率，c代表光速，θ代表光波入射角。
[0031]
mof双曲超材料(本实施例为cu-btc)主要通过化学生长工艺长在长周期光纤光栅表面，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εm＝re(εm)+im(εm)：
[0032][0033]
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。
[0034]
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：
[0035][0036]
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。
[0037]
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。