專利名稱：一種折射率傳感器制作方法及折射率傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種折射率傳感器，尤其涉及一種基于傾斜 光纖光柵表面等離子體共振的折射率傳感器及利用該傳感器測(cè)量折射率的傳感裝置。
背景技術(shù)：
通過(guò)折射率測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種化學(xué)量的傳感如溶液濃度，土壤濕度，生化傳感中 的各種蛋白質(zhì)或抗體種類及含量是最直接有效的途徑，也是各行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；诠饫w光柵的折射率傳感器在生物和化學(xué)傳感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其中包括 長(zhǎng)周期光柵和布拉格光柵。長(zhǎng)周期光纖光柵由于其包層模耦合機(jī)制，外界折射率變化會(huì)直 接影響包層模式的倏逝場(chǎng)，從而引起其透射譜損耗峰值或共振波長(zhǎng)發(fā)生變化，所以長(zhǎng)周期 光柵可以直接用來(lái)測(cè)量外界折射率的變化。利用化學(xué)腐蝕減小光纖半徑、鍍上一層高折射 率的薄膜或者利用兩個(gè)長(zhǎng)周期光柵組成的光纖干涉儀等都是用來(lái)提高折射率傳感靈敏度 的方法。其缺點(diǎn)是長(zhǎng)周期光柵不僅對(duì)外界折射率敏感，而且對(duì)溫度、彎曲等都很敏感，測(cè)量 時(shí)容易受周圍環(huán)境條件變化的影響。而利用布拉格光柵進(jìn)行折射率傳感時(shí)，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に囂幚硎蛊湫緦訉?dǎo)模能 夠通過(guò)倏逝波的作用感應(yīng)到外界折射率的變化?，F(xiàn)有的方法有1、利用化學(xué)方法腐蝕布拉 格光柵使其包層直徑到幾個(gè)微米；2、利用側(cè)邊磨拋技術(shù)磨去光纖一側(cè)的包層，纖芯離磨拋 后的包層表面距離小于1微米；3、利用傾斜光纖光柵的包層模直接測(cè)量折射率，其折射率 傳感分辨率大約為1X10—4?；诓祭窆鈻诺恼凵渎蕚鞲衅魅秉c(diǎn)在于使用腐蝕或者磨拋 等輔助工藝，降低了傳感器的機(jī)械性能，從而影響使用壽命；同時(shí)分辨率不高也是這類傳感 器的一個(gè)局限。另一方面，發(fā)展較為成熟的相關(guān)技術(shù)是表面等離子體共振傳感技術(shù)。早期的表面 等離子體共振傳感器是基于棱鏡結(jié)構(gòu)，體積較大，不易于集成化。目前研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)移到基于 光纖型的表面等離子體共振傳感器，一般可以結(jié)合光纖拉錐，側(cè)邊磨拋以及多模光纖等技 術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)生物技術(shù)系生物 膜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南開(kāi)大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院等多家單位都在開(kāi)展表面等離子體共振傳感系 統(tǒng)的研究。產(chǎn)業(yè)化方面，瑞典Phamacia公司的基于棱鏡結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振Biacore 系列產(chǎn)品已占據(jù)國(guó)際市場(chǎng)主導(dǎo)地位，美國(guó)TI公司、英國(guó)的Iasys公司、以及日本、德國(guó)等國(guó) 家也先后推出了自己的產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于傾斜光纖光柵表面等離子體 共振的折射率傳感器制作方法及利用該傳感器測(cè)量折射率的傳感裝置。本發(fā)明中的折射率傳感器制作方法是在傾斜光纖光柵周向表面利用離子濺射鍍 膜方法鍍上金膜。所述的傾斜光纖光柵傾斜角度為4° 10° ；
所述的金膜膜厚為20nm 50歷。本發(fā)明中的折射率傳感裝置包括寬帶光源、起偏器、偏振控制器、折射率傳感器， 解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。帶寬為SOnm IOOnm寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器和偏振控制器進(jìn)入折射率傳感 器，經(jīng)折射率傳感器的透射光譜輸入到波長(zhǎng)解調(diào)儀，通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)儀得到的等離子體共振 波長(zhǎng)和布拉格波長(zhǎng)送入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。本發(fā)明具有的有益效果該折射率傳感器能大大提高折射率傳感的靈敏度。同時(shí) 利用傾斜光纖光柵自身的布拉格波長(zhǎng)，可以用做溫度參考信號(hào)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償折射率測(cè)量時(shí)環(huán) 境溫度變化的影響。


圖1是本發(fā)明制作得到的折射率傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中折射率傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中折射率傳感器輸出的透射光譜圖實(shí)例。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，在光纖上刻制傾斜光纖光柵1，其傾斜角度為4° 10°。然后用離 子濺射方法在傾斜光柵上鍍上一層金膜2，金膜厚在20nm 50nm之間，這樣就形成了折射 率傳感器。如圖2所示，帶寬為SOnm IOOnm的寬帶光源3發(fā)出的光經(jīng)起偏器4和偏振控制 器5進(jìn)入到折射率傳感器6，其透射光譜輸入到波長(zhǎng)解調(diào)儀7檢測(cè)。波長(zhǎng)解調(diào)儀7測(cè)到的等 離子體共振波長(zhǎng)和布拉格波長(zhǎng)送入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)8進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度變化 進(jìn)行補(bǔ)償并且給出相應(yīng)的溶液折射率。下面根據(jù)傳感器的輸出光譜實(shí)例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明等離子共振波長(zhǎng)的確定方法及環(huán)境 溫度變化補(bǔ)償方法。如圖3所示，傾斜光纖光柵透射譜上虛線圈出部分包層模式的上包絡(luò)即為表面等 離子體共振譜。由于包絡(luò)譜很寬，不易于確定其共振波長(zhǎng)。本發(fā)明中選用損耗峰左側(cè)幾個(gè) 包層模式的峰值波長(zhǎng)進(jìn)行線性擬合并延長(zhǎng)到給定的損耗值(此處取-4. 5dB)產(chǎn)生交叉點(diǎn)， 其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)來(lái)表示表面等離子體共振波長(zhǎng)。另外，測(cè)量前先對(duì)溫度變化引起的表面等離 子共振波長(zhǎng)變化進(jìn)行標(biāo)定。進(jìn)行折射率測(cè)量時(shí)，根據(jù)傾斜光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)漂移來(lái)確 定當(dāng)前的環(huán)境溫度，再代入先前標(biāo)定的值就可以補(bǔ)償溫度變化對(duì)折射率測(cè)量的影響，最后 獲得的折射率測(cè)量精度可以達(dá)到1Χ10Λ根據(jù)波導(dǎo)耦合理論，表面等離子體波的有效折射率可以表示為Ns =(1)其中ε Μ為金的介電常數(shù)，ε D = (next)2為被測(cè)溶液的介電常數(shù)，next被測(cè)溶液的 折射率，可見(jiàn)表面等離子體的有效折射率是與被測(cè)溶液的折射率相關(guān)的。根據(jù)耦合模理論，傾斜光纖光柵耦合出來(lái)的各階模式的峰值波長(zhǎng)表示為λ clad = (Neff (core) +Neff (clad)) X A /cos (θ)⑵
其中Λ為光柵的周期，θ光柵平面相對(duì)軸向的傾斜角度，Neff(core)是纖芯模有 效折射率，Nrff (clad)為包層模式的有效折射率。當(dāng)表面等離子體的有效折射率等于傾斜光 柵某個(gè)包層模式的有效折射率，即Nsp = Neff(Clad)時(shí)，從傾斜光柵的透射譜上看，該包層模 式附近的幾個(gè)共振峰會(huì)產(chǎn)生很大的損耗。通過(guò)測(cè)量這幾個(gè)峰值波長(zhǎng)的漂移，就可以獲得當(dāng) 前被測(cè)溶液的折射率。
另外測(cè)量中需要選用波長(zhǎng)范圍能同時(shí)覆蓋傾斜光柵等離子體共振區(qū)域和布拉格 波長(zhǎng)的寬帶光源。通過(guò)光起偏器和偏振控制器產(chǎn)生偏振光并調(diào)節(jié)偏振角度，然后輸入到傳 感傾斜光纖光柵中，其透射光信號(hào)進(jìn)入波長(zhǎng)解調(diào)儀進(jìn)行檢測(cè)，然后送入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn) 行處理。最后給出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償環(huán)境溫度變化后的相應(yīng)的溶液折射率。上述實(shí)例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán) 利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種折射率傳感器制作方法，其特征在于該方法是在傾斜光纖光柵周向表面利用離子濺射鍍膜方法鍍上金膜；所述的傾斜光纖光柵傾斜角度為4°～10°；所述的金膜膜厚為20nm～50nm。
2.一種折射率傳感裝置，包括寬帶光源、起偏器、偏振控制器、折射率傳感器，解調(diào)儀和 計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，其特征在于寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器和偏振控制器進(jìn)入折射率傳感 器，經(jīng)折射率傳感器的透射光譜輸入到波長(zhǎng)解調(diào)儀，通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)儀得到的等離子體共振 波長(zhǎng)和布拉格波長(zhǎng)送入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種折射率傳感器制作方法及折射率傳感裝置。傳統(tǒng)的傳感器測(cè)量精度低、使用壽命低。本發(fā)明折射率傳感器制作方法是在傾斜光纖光柵周向表面利用離子濺射鍍膜方法鍍上金膜，本發(fā)明中的折射率傳感裝置包括寬帶光源、起偏器、偏振控制器、折射率傳感器，解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。帶寬為80nm～100nm寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器和偏振控制器進(jìn)入折射率傳感器，經(jīng)折射率傳感器的透射光譜輸入到波長(zhǎng)解調(diào)儀，通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)儀得到的等離子體共振波長(zhǎng)和布拉格波長(zhǎng)送入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。本發(fā)明傳感器能大大提高折射率傳感的靈敏度。同時(shí)利用傾斜光纖光柵自身的布拉格波長(zhǎng)，可以用做溫度參考信號(hào)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償折射率測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度變化的影響。
文檔編號(hào)G01N21/41GK101871886SQ20101019743
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者董新永, 邵理陽(yáng), 金尚忠 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院