High-Precision Surface Plasmon Resonance (SPR)-Based Five-Parameter Optical Fiber Sensor for the Simultaneous Detection of Refractive Index, Temperature, Magnetic Field, Relative Humidity, and Voltage

材料科学 折射率 光电子学 光纤传感器 光纤 表面等离子共振 光子晶体光纤 磁场 光学 聚二甲基硅氧烷 分析物 电压 偏压 表面等离子体子 光子晶体 相对湿度 等离子体子 局域表面等离子体子 纤维 谐振器 温度测量 表面等离子体激元 液晶 光学环形谐振器 电场 渐变折射率纤维
作者
Weiqiang Wang,Jingwei Lv,Jianxin Wang,Miao Liu,Wei Liu,Zao Yi,Qiang Liu,Paul K. Chu,Chao Liu
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [IEEE Sensors Council]
卷期号:25 (24): 44054-44062
标识
DOI:10.1109/jsen.2025.3627403
摘要

A multifunctional optical fiber sensor based on surface plasmon resonance (SPR) is designed and demonstrated for the synchronous detection of refractive index (N), temperature (T), magnetic field (H), relative humidity (RH), and voltage (U). The device employs a 10-hole photonic crystal fiber (10-hole PCF) as the substrate. Gold (Au) films are deposited in the alternately distributed air holes, which are subsequently filled with the analyte (Anal), polydimethylsiloxane (PDMS), magnetic fluid (MF), polyvinyl alcohol (PVA), and E7 nematic liquid crystal (E7NLC), respectively. This sensor enables synchronous multi-parameter detection using a single segment of the optical fiber. Numerical analysis reveals that in the ranges of 1.32-1.38 RIU, 20-40 °C, 35-135 Oe, 30%-70%, and 180-260 V, the average refractive index sensitivity, temperature sensitivity, magnetic field sensitivity, relative humidity sensitivity, and relative voltage sensitivity are 4,490.34 nm/RIU, -8.05 nm/°C, 1.52 nm/Oe, -5.83 nm/%RH, and 4.25 nm/V respectively. Featuring a simple structure, the sensor achieves integrated 5-parameter sensing for the first time. The results reveal a novel concept for multi-physical field sensing with a single segment of optical fiber.
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