一种基于表面增强拉曼散射光子晶体光纤的温度传感器

摘要

一种基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤温度传感器，采用纤芯包层结构，光纤为带隙型空芯光子晶体光纤，纤芯为芯层空气孔，光纤包层中均布沿轴向呈正六边形周期性排列的包层空气孔，包层空气孔直径小于芯层空气孔直径，芯层空气孔内壁沉积或镀有金属纳米颗粒，芯层空气孔内填充罗丹明胶体溶液。本发明的优点是：该温度传感器结构新颖，通过将光子晶体光纤和表面增强拉曼散射结合，提高了选择性和灵敏度，可实现对温度微小差别的检测；光纤材料低廉，可降低制造成本；由于使用光谱仪进行检测实现了原始光谱信号与温度检测相统一，利用光纤的光波导实现了远距离传输，使得检测处与人员分离，可用于对危险地段的温度检测，具有广泛的应用前景。

权利要求

1.一种基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤温度传感器，其特征在于：采用纤芯包层结构，光纤为带隙型空芯光子晶体光纤，纤芯为芯层空气孔，光纤包层中均布沿轴向呈正六边形周期性排列的包层空气孔，包层空气孔直径小于芯层空气孔直径，芯层空气孔内壁沉积或镀有金属纳米颗粒，芯层空气孔内填充罗丹明胶体溶液。

2.根据权利要求1所述基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤温度传感器，其特征在于：所述光纤材料为石英，折射率为1.45。

3.根据权利要求1所述基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤温度传感器，其特征在于：所述芯层空气孔的直径为8-10μm，包层空气孔的直径为2-3μm，孔间距为5μm。

4.根据权利要求1所述基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤温度传感器，其特征在于：所述金属纳米颗粒为金或银，纳米颗粒的粒径为50-70nm。

5.一种如权利要求1所述基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤温度传感器的应用，其特征在于：用于对温度的远距离检测，方法是：将温度传感器的探测端密封置于检测环境中，另一端接入光谱仪，观测拉曼增强光谱线的变化，通过检测罗丹明分子随温度比变化的表面增强拉曼散射光谱检测温度。

说明书

一种基于表面增强拉曼散射光子晶体光纤的温度传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及温度传感器，特别是一种基于表面增强拉曼散射光子晶体光纤的温度传感器。

背景技术

[0002] 光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得光子晶体光纤与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。按照导光机理，光子晶体光纤分为两类：折射率导光机理和光子带隙导光机理。不同的导光机理反映在光纤结构也不同，前者主要是实心光子晶体光纤，后者主要是空芯光子晶体光纤。并且通过改变光子晶体光纤空气孔的半径、孔间距等几何参数可以灵活的改变光子晶体光纤的传输特性。光子晶体光纤可以根据具体的使用功能进行设计，所以光子晶体光纤有着广泛的应用前景。

[0003] 表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)是指分子吸附到某些金属纳米结构基底的表面时，分子的拉曼信号显著增强的现象。1974年，M.Fleischmann等人首次发现了SERS现象，他们的实验表明在粗糙银电极表面吡啶分子的拉曼光谱得到了增强。吸附在粗糙化金属表面的化合物由于表面局域等离子激元被激发所引起的电磁增强即物理增强，以及粗糙表面上的原子簇及吸附其上的分子构成拉曼增强的活性点即化学增强，这两者的作用使被测定物的拉曼散射产生极大的增强效应，其增强因3 7
子可达10 ～10，已发现能产生SERS的金属有Ag，Au，Cu和Pt等少数金属，以Ag的增强-12
效应为最佳，最为常用。此技术具有选择性好和灵敏度高的优点，实际检测限可达10 克级。目前较普遍的观点是SERS活性的表面往往能产生被增强的局域电场，是金属表面等离子共振振荡引起的，这被称为物理增强。而分子在金属上的吸附常伴随着电荷的转移引起分子能级的变化，或者分子吸附在特别的金属表面结构点上也导致增强，这两种情况均被称为化学增强。尽管理论上还有争论。然而利用SERS的研究，却在多方面开展起来。如已经用这一技术研究了腐蚀、催化的中间产物、金属及热分解过程、毒品的鉴定、蔬菜水果表面农药的残留的检测、墨迹中微量成分的分析等等。

[0004] 表面增强拉曼散射技术是当今最灵敏的研究表面吸附和界面反应的现场谱学技术之一，它受多因素的影响，温度的影响是其中很重要的一个方面。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种基于表面增强拉曼散射光子晶体光纤的温度传感器，该温度传感器将光子晶体光纤和表面增强拉曼散射结合，具有选择性好和灵敏度高的优点，有广泛的应用前景。

[0006] 本发明的技术方案：

[0007] 一种基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤温度传感器，采用纤芯包层结构，光纤为带隙型空芯光子晶体光纤，纤芯为芯层空气孔，光纤包层中均布沿轴向呈正六边形周期性排列的包层空气孔，包层空气孔直径小于芯层空气孔直径，芯层空气孔内壁沉积或镀有金属纳米颗粒，芯层空气孔内填充罗丹明胶体溶液。

[0008] 所述光纤材料为石英，折射率为1.45。

[0009] 所述芯层空气孔的直径为8-10μm，包层空气孔的直径为2-3μm，孔间距为5μm。

[0010] 所述金属纳米颗粒为金或银，纳米颗粒的粒径为50-70nm。

[0011] 一种所述基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤温度传感器的应用，用于对温度的远距离检测，方法是：将温度传感器的探测端密封置于检测环境中，另一端接入光谱仪，观测拉曼增强光谱线的变化，通过检测罗丹明分子随温度比变化的表面增强拉曼散射光谱检测温度。

[0012] 本发明的优点和积极效果：

[0013] 该温度传感器结构新颖，通过将光子晶体光纤和表面增强拉曼散射结合，可大大提高选择性和灵敏度，实现对温度微小差别的检测；光纤可以利用廉价的材料来生产可大大降低制造成本；由于使用光谱仪进行检测实现了原始光谱信号与温度检测相统一，利用光纤的光波导实现了远距离传输，使得检测处与人员分离，可用于对危险地段的温度检测，具有广泛的应用前景。

附图说明

[0014] 图1为该温度传感器光纤截面结构示意图。

[0015] 图中：1.光纤 2.芯层空气孔 3.包层空气孔 4.银纳米颗粒

[0016] 5.罗丹明胶体溶液(R6G)

[0017] 图2为表面增强拉曼散射随温度的变化曲线。具体实施方案

[0018] 实施例：

[0019] 一种基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤温度传感器，如图1所示，采用纤芯包层结构，光纤1为带隙型空芯光子晶体光纤，材料为石英，折射率为1.45，纤芯为芯层空气孔2，芯层空气孔的直径为10μm，光纤包层中均布沿轴向呈正六边形周期性排列的包层空气孔3，包层空气孔3的直径为3μm，孔间距为5μm，芯层空气孔内壁沉积或镀有粒径为50-70nm的银纳米颗粒4，芯层空气孔2内填充罗丹明胶体溶液(R6G)5。

[0020] 由于不同波段的光子晶体光纤使用材料不同制造技术也就不同，例如可见光波段空芯光子晶体光纤采用石英材料通过拉伸制造而成，太赫兹波段光子晶体光纤则采用聚乙烯和浇铸方法制造。本发明采用可见光和红外波段，使用石英材料制作而成。

[0021] 一种所述基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤温度传感器的制备方法：

[0022] 温度传感端的纳米粒子的沉积附着，将光子晶体光纤一端插入提前制备好的Ag纳米颗粒的胶体溶液中，溶胶溶液的制备方法是：配制含有0.25mmol/L硝酸银和0.25mmol/L柠檬酸钠的水溶液20mL，对溶液进行剧烈磁搅拌，加入新配制冰过的0.1mol/L硼氢化钾溶液0.6mL，30s后得到亮黄色Ag晶种溶液。取五只试管，分别加入0.1mol/L的CTAB溶液10mL和0.1mol/L抗坏血酸溶液0.5mL，然后分别加入2.00、1.0、0.50、0.25、
0.125mL晶种溶液和0.01mol/L硝酸银溶液0.25mL，最后分别加入1.0mol/L氢氧化钠溶液
0.10mL，充分混合后放于试管架上静置。约10min后，各个试管内的溶液呈现出不同的颜色，随着晶种浓度的减小，其颜色依次为紫红-棕-蓝-蓝-绿，继续保持静置12h，至CTAB沉降至试管底部，取上清液。光子晶体光纤一端插入溶胶溶液中静置，由于毛细作用溶液会被吸进光纤中，待溶液进入光纤中4厘米后，将光纤从溶液中取出，放入烘干机中进行烘干，使Ag纳米颗粒沉积在光纤内表面上，形成表面增强拉曼散射增强因子。

[0023] 将内壁有Ag纳米颗粒沉积的光纤一端插入到罗丹明胶体溶液(R6G)中静置，同样利用毛细作用，R6G溶胶溶液会被吸入到光纤中，待溶液进入光纤中5厘米时，保证溶液超过纳米颗粒附着层。最后将光纤作为探针的一端密封，即可制得该温度传感器。

[0024] 该温度传感器用于对温度的远距离检测，方法是：将温度传感器的探测端密封置于检测环境中，另一端接入光谱仪，观测拉曼增强光谱线的变化，通过检测罗丹明分子随温度比变化的表面增强拉曼散射光谱检测温度。

[0025] 图2为表面增强拉曼散射随温度的变化曲线，图中a、b、c、d曲线显示拉曼增强光谱随温度的增大而整体增强，可以以此为进行定标，即通过观测拉曼增强光谱的强度整体变化范围来反映温度的变化。也就是拉曼光谱整体增强，温度增大；拉曼光谱整体减弱，温度变小。