| 专利名称： |
基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器 |
| 摘要： |
本发明公开了基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器，其特征包括激光器、2×1耦合器、滤波器、掺铒光纤放大器、滤波器、光纤偏振控制器、光纤偏振分束器、色散位移光纤、粗波分复用器、光纤SPR传感器、平衡探测器、频谱分析仪；外界折射率发生微小变化，量子增强的SPR传感器的共振响应会产生频移并且给定波长下的光传输强度会相应变化，而且反射光强度的变化与折射率变化量呈线性关系，对所得光纤SPR传感器透射光强度与参考光比较，通过测量强度变化可以获得折射率变化量；本发明光纤表面等离子体共振折射率传感器具有使灵敏度突破量子噪声极限，安全可靠的优点。 |
| 专利类型： |
发明专利 |
| 国家地区组织代码： |
浙江;33 |
| 申请人： |
中国计量大学 |
| 发明人： |
赵春柳;王武楠;石岩;王海龙;赵天琦;金尚忠 |
| 专利状态： |
有效 |
| 申请日期： |
2019-07-23T00:00:00+0800 |
| 发布日期： |
2019-11-26T00:00:00+0800 |
| 申请号： |
CN201910663930.8 |
| 公开号： |
CN110501307A |
| 分类号： |
G01N21/41(2006.01);G;G01;G01N;G01N21 |
| 申请人地址： |
310018 浙江省杭州市学源街258号中国计量大学 |
| 主权项： |
1.基于量子测量的光纤表面等离子体共振折射率传感方法，其特征在于包括包括如下步骤： 步骤(1)光纤量子纠缠源的产生：由光纤飞秒激光器所发出激光经滤波器分成两路光，两路光分别在经过处理后得到功率增大的泵浦光和功率较小的信号光，两光束通过耦合器耦合到色散位移光纤中产生四波混频效应，在四波混频过程中，对于每束发射的信号光，发射具有相反失谐的相应共轭闲频光，从而满足能量守恒，同样，发射角与探针的角度相反，以保持动量，单空间模式情形的哈密顿量是: 其中ki表示场的空间模式，χ(2)是非线性系数，ap是泵浦场振幅，是约化普朗克常量，C.为基波振幅，这被认为是不完整的，运动方程是以此推导出了时变运算符方程： 其中κ是总非线性系数乘以泵浦振幅，它与信号光和闲频光相比是非衰减的的并且在幅度上是大的，它是一个常数，并且其中结果，相同空间模式中的信号光和闲频光具有量子相关强度，这些量子相关性表现为在测量光束之间的强度差异时的较低噪声基底(在没有损失的情况下归一化为散粒噪声极限): 其中N-，是光子数差算符； 另外，称为相干区域的每个光束的宏像素在光束上成对相关，在每个相干区域可以由单个空间模式描述的限制中，哈密顿量将由多个并发非线性组成： 方程(5)导致时域和空间域中多种模式的量子噪声降低，相干区域实际上是独立的，如果远场中的相干性倾向于零，则将其视为方程(5)中的空间模式，即→0，如果包含在光束内的相干区域在检测平面中不相互干扰，则有效地满足该条件，如果每对都被隔离并且测量强度差异，则量子噪声降低将接近方程(4)； 经过四波混频后产生的波长较长的信号光和波长较短的闲频光两者是共轭的，具有高度量子相关性，其强度差量子噪声大大降低，获得了所需的光纤量子纠缠源； 步骤(2)光纤表面等离子体共振(SPR)折射率传感：经四波混频后产生的闲频光进入平衡探测器一端口作为参考光，而信号光则输入到一个光纤SPR传感器作为探测光，最后再输入到平衡探测器另一端口中；由于外界折射率的微小变化，SPR传感器的共振响应会产生频移并且给定波长下的光传输强度会相应变化；测量光强度(I)用来估计折射率(n)，灵敏度或折射率的最小可分辨变化(Δnmin)由下式给出： 其中包含了平均N次的影响，式表示透射率(T)随折射率的变化，其由等离子体结构的性质决定，而式表示用于探测传感器的光场的性质； 外界折射率发生微小变化，SPR传感器的共振响应会产生频移并且给定波长下的光传输强度会相应变化，而且透射光强度的变化与折射率变化量呈线性关系，对所得光纤SPR传感器透射光强度与参考光比较，通过测量强度变化可以获得折射率变化量； 经四波混频后产生的量子纠缠源，它是具有纠缠空间模式的相关双光束，具有高度量子相关性，每个模式都表现出强度差量子噪声降低，探测光与参考光量子相关噪声相减，产生低于散粒噪声极限的噪声基底，使原来被湮没在量子噪声下的强度变化信号可以被探测到，由此实现对折射率的突破量子噪声极限的超高灵敏度测量。 2.实现权利要求(1)所述方法的光纤SPR传感器的等离子体结构是由光纤表面所镀的一层银薄膜上的亚波长纳米结构孔阵列组成，此传感器基于全反射时进入金属薄膜中的倏逝波与金属薄膜内自由电子振荡产生的表面等离子体波，这种通过亚波长孔的光子和等离子体之间的相干转换产生的透射，其数量级大于衍射理论所预期的透射率，这种效应称为非常光学透射(EOT)，这个过程保持了光的量子特性，并使光的量子态可以增强SPR传感器灵敏度。 3.实现权利要求(1)所述方法的装置特征在于包括激光器、2×1耦合器、滤波器、掺铒光纤放大器、滤波器、光纤偏振控制器、光纤偏振分束器、色散位移光纤、粗波分复用器、光纤SPR传感器、平衡探测器、频谱分析仪组成的光纤量子纠缠源模块、光纤传输传感模块和数据分析模块三大模块； 所述光纤量子纠缠源模块中的第一耦合器一端口一端与激光器相连，第一耦合器两端口一侧的高分光比端口与第一滤波器输入端相连，第一滤波器输出端与掺铒光纤放大器输入端相连，掺铒光纤放大器输出端与第一偏振控制器一端相连，第一偏振控制器另一端与第一偏振分束器一端相连，第一偏振分束器另一端与第二耦合器两端口的一端相连，第一耦合器两端口一侧的低分光比端口与第二滤波器输入端相连，第二滤波器输出端与第二偏振控制器一端相连，第二偏振控制器另一端与第二偏振分束器一端相连，第二偏振分束器另一端与第三偏振控制器一端相连，第三偏振控制器另一端与第二耦合器两端口的另一端相连，第二耦合器一端口的一端与色散位移光纤一端相连； 所述光纤传输传感模块中的色散位移光纤另一端与粗波分复用器输入端相连，粗波分复用器输出端一端口与平衡探测器输入端一端口相连，粗波分复用器输出端另一端口与光纤SPR传感器一端相连； 所述数据分析模块中的光纤SPR传感器另一端与平衡探测器输入端另一端口相连，平衡探测器输出端与频谱分析仪相连； 所述光纤SPR传感器的等离子体结构由等腰三角形亚波长纳米孔阵列(基底为230-250纳米，侧面为320-340纳米，间距为380-420纳米)组成，在纤芯衬底上有一层70-80纳米厚铟锡氧化物涂层，再在其上镀一层90-110纳米厚的银膜，用电子束光刻技术在银膜上形成纳米孔且其排列成正方形网格的样式，最后将一层200-220纳米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)沉积在等离子体结构的顶部，以保护银免受氧化，这一层聚甲基丙烯酸甲酯不会显著影响传感器的功能性或灵敏度。 |
| 所属类别： |
发明专利 |
