基于等離子諧振腔的光纖表面等離子體傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及基于等離子諧振腔的光纖表面等離子體傳感器，其特征包括寬帶光源、光隔離器、偏振控制器、2×1耦合器、傳輸光纖、光纖布拉格光柵(FBG)、錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器、全反射膜、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡(DAC)、PC機以及脈沖調(diào)制器；所述等離子腔由光纖布拉格光柵(FBG)、錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器和全反射膜組成，鍍金膜的拉錐光纖錐區(qū)為等離子產(chǎn)生區(qū)和SPR傳感區(qū)，P偏振光在腔體內(nèi)來回振蕩，增大諧振波長發(fā)生SPR概率，提高SPR耦合效率和強度檢測靈敏度；SPR傳感區(qū)金膜外鍍特異性膜，實現(xiàn)特異性物質(zhì)高靈敏度強度檢測。本實用新型提出一種具有實用、低成本、高靈敏度、強度檢測的基于等離子諧振腔的光纖表面等離子體傳感器。
【專利說明】基于等離子諧振腔的光纖表面等離子體傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及基于等離子諧振腔的光纖表面等離 子體傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance,簡稱SPR)是指當(dāng)光源發(fā)出的 P型偏振復(fù)色光經(jīng)過薄膜金屬與介質(zhì)的交界面時，若滿足入射角大于全反射臨界角，在表面 上形成了電子濃度的梯度分布，形成等離子體振蕩，形成表面等離子體波，由于表面倏逝波 場與金屬復(fù)折射率的存在，使?jié)M足諧振波長的光部分被吸收，其余波長的光被反射的現(xiàn)象。
[0003] 1902年，Wood在光學(xué)實驗中發(fā)現(xiàn)反常衍射現(xiàn)象；1968年，德國物理學(xué)家Otto和 Kretschmann各自米用（Attenuated Total Reflection，簡稱ATR)的方法在實驗中實現(xiàn)了 光頻波段的表面等離子體的激發(fā)。在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同的研究和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了大量的 改進(jìn)，被廣泛用于生化、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控以及食品安全等多個領(lǐng)域。隨著研究工作的不斷深 入，棱鏡傳感器的體積大，不適合遠(yuǎn)程遙測等缺點逐漸顯露。1993年，Jorgenson等人在實 驗上實現(xiàn)了基于SPR的光纖化工傳感器，相比于棱鏡SPR傳感器，它具有體積小、響應(yīng)快、成 本低、可以實現(xiàn)在線實時監(jiān)測等優(yōu)勢，有著更大的研究前景和經(jīng)濟價值。進(jìn)過二十多年的 發(fā)展，光纖SPR傳感器已經(jīng)被廣泛用作生物以及化學(xué)領(lǐng)域的檢測，典型的光纖SPR傳感器主 要是基于光譜諧振角和諧振波長的檢測，或者是基于SPR耦合強度和相位的測量，這些檢 測基于波長或者相位檢測的SPR傳感器，使用光譜儀作為檢測設(shè)備，增加檢測成本，要不需 要復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過程，實用性不強，而且所測的靈敏度和分辨率不高，這些SPR 傳感器存在的問題嚴(yán)重影響了 SPR傳感器的應(yīng)用和發(fā)展。
[0004] 針對上述SPR傳感器中測量成本高、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、強度檢測靈敏度低且 實用性不強等問題，本實用新型提出一種基于等離子腔的光纖表面等離子體傳感器，用于 實現(xiàn)強度的檢測。SPR傳感器的靈敏度主要取決于兩個因素：一是諧振波長隨著折射率的 變化量；二是SPR諧振波長的轉(zhuǎn)化效率?；谇惑w結(jié)構(gòu)的光纖SPR傳感器，利用光纖端面鍍 全反射膜和一個光纖光柵構(gòu)成腔體結(jié)構(gòu)，提高SPR的轉(zhuǎn)換效率和測量靈敏度。因此，本實用 新型提出的基于等離子諧振腔的光纖SPR傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)折射率測量的高靈敏度的強度 檢測，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，具有很強的實用價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服光纖SPR傳感器測量過程成本高、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、強度檢測靈敏 度低且實用性不強等問題，本實用新型提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、高靈敏度強度檢測、實用性強 的基于等離子諧振腔的光纖表面等離子體傳感器。
[0006] 本實用新型為解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案：
[0007] 基于等離子諧振腔的光纖表面等離子體傳感器，包括：寬帶光源、光隔離器、偏振 控制器、2 X 1耦合器、傳輸光纖、光纖布拉格光柵、錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器、全 反射膜、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、PC機以及脈沖調(diào)制器。
[0008]寬帶光源的輸出端與光隔離器相連，光隔離器的輸出端與偏振控制器相連，2X1 耦合器的兩端口的一端分別與偏振控制器的輸出端和光電探測器輸入端相連，2 X 1耦合器 的一端口一端與傳輸光纖的一端相連，傳輸光纖的另一端與光纖布拉格光柵的一端相連， 錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器未鍍膜的一端與光纖布拉格光柵的輸出端相連，錐區(qū) 鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器的另一端鍍有全反射膜，數(shù)據(jù)采集卡分別與光電探測器輸 出端、脈沖調(diào)制器輸入端以及PC機相連；脈沖調(diào)制器、寬帶光源、光隔離器以及偏振控制器 組成時序脈沖的P偏振光的發(fā)生區(qū)；表面等離子諧振腔由光纖布拉格光柵、錐區(qū)鍍有金膜 的拉錐光纖SPR傳感器和全反射膜組成，光纖布拉格光柵工作波長大于 SPR諧振波長的中 心波長，且位于諧振波長的正線性區(qū)內(nèi)，或者光纖布拉格光柵工作波長小于SPR諧振波長 的中心波長，且位于諧振波長的負(fù)線性區(qū)內(nèi)，光纖布拉格光柵對諧振波長的P偏振光的反 射率在5%?30%之間，錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器的錐區(qū)直徑小于等于12 μ m， 全反射膜對諧振波長的反射率大于等于95%，鍍有金膜錐區(qū)作為等離子產(chǎn)生區(qū)和SPR傳感 器，金膜的厚度在20nm?lOOrnn之間，表面粗糙度的均方根小于等于5mn ;光電探測器、數(shù) 據(jù)采集卡以及PC機組成信號解調(diào)部分。
[0009] 本實用新型的有益效果為：
[0010] 本實用新型利用光纖布拉格光柵和全反射鏡構(gòu)成等離子腔體結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)生SPR 效應(yīng)的諧振波長的P偏振光在等離子腔體內(nèi)形成多次振蕩，增加 P偏正光發(fā)生SPR效應(yīng)的 幾率，提高諧振波長的轉(zhuǎn)化效率，同時使得諧振波長的強度變化更敏感于折射率的變化，從 而實現(xiàn)折射率測量的高靈敏度的強度檢測。
[0011] 本實用新型通過脈沖調(diào)制器控制寬帶光源輸出的脈沖序列，檢測在相同脈沖序 列、不同樣品折射率時，輸出光強變?yōu)樵斎牍鈴姷膇時的所需要的時間，不同的折射率對 e 應(yīng)不同的時間，從而可通過時間推測折射率的大小。
[0012] 本實用新型將鍍有金膜的均勻段錐區(qū)作為SPR傳感區(qū)，通過在SPR傳感區(qū)金膜外 鍍不同種類的生物素親和膜（如鏈霉親和素），可實現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的生物物質(zhì)（如 蛋白質(zhì)）的特異性檢測。
[0013] 本實用新型將鍍有金膜的均勻段錐區(qū)作為SPR傳感區(qū)，通過在SPR傳感區(qū)金膜外 鍍不同種類的揮發(fā)性有機物親和膜，可實現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的揮發(fā)性有機物的特異性 檢測。
[0014] 本實用新型中解調(diào)系統(tǒng)使用光電探測器，實現(xiàn)光強度的檢測，避免了昂貴的光譜 儀等波長檢測設(shè)備的使用，降低了成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型基于等離子諧振腔的光纖表面等離子體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對實用新型進(jìn)一步描述。
[0017] 如圖1所示，基于等離子諧振腔的光纖表面等離子體傳感器，包括寬帶光源1，光 隔離器2,偏振控制器3, 2 X 1耦合器4,傳輸光纖5,光纖布拉格光柵6,錐區(qū)鍍有金膜的拉 錐光纖SF*R傳感器7,全反射膜8,光電探測器9,數(shù)據(jù)采集卡1〇, pC機u以及脈沖調(diào)制器 12。寬帶光源1的輸出端與光隔離器2相連，光隔離器2的輸出端與偏振控制器 3相連， 2X1耦合器4的兩端口的一端分別與偏振控制器3的輸出端和光電探測器9輸入端相連， 2X 1耦合器4的一端口一端與傳輸光纖5的一端相連，傳輸光纖5的另一端與光纖布拉格 光柵6的一端相連，錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖 SPR傳感器7未鍍膜的一端與光纖布拉格光 柵6的輸出端相連，錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器7的另一端鍛有全反射膜g，數(shù)據(jù) 米集卡10分別與光電探測器9輸出端、脈沖調(diào)制器12輸入端以及pc機η相連。脈沖調(diào) 制器12、寬帶光源1、光隔禺器2以及偏振控制器3組成時序脈沖的p偏振光的發(fā)生區(qū)；表 面等離子諧振腔由光纖布拉格光柵 6、錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器7和全反射膜 8組成，光纖布拉格光柵6工作波長大于SPR諧振波長的中心波長，且位于諧振波長的正線 性區(qū)內(nèi)，或者光纖布拉格光柵 6工作波長小于SPR諧振波長的中心波長，且位于諧振波長的 負(fù)線性區(qū)內(nèi)，光纖布拉格光柵6對諧振波長的P偏振光的反射率在 5%?30%之間，錐區(qū)鍵 有金膜的拉錐光纖SPR傳感器7的錐區(qū)直徑小于等于12 μ m，全反射膜8對諧振波長的反 射率大于等于95%，鍍有金膜錐區(qū)作為等離子產(chǎn)生區(qū)和SPR傳感器，金膜的厚度在2〇 nm? lOOnm之間，表面粗糙度的均方根小于等于5mn ;光電探測器9、數(shù)據(jù)采集卡1〇以及pc* n 組成信號解調(diào)部分。
[0018]本實用新型的工作方式為：經(jīng)過脈沖調(diào)制器12調(diào)制的寬帶光源1產(chǎn)生的脈沖信號 光，由傳輸光纖輸入到光隔離器2,光隔離器2輸出的光信號通過偏振控制器3變成P偏振 光，P偏振光從2X1耦合器4的2_1端口輸入，從1X2耦合器4的1」端口輸出，1X2耦合 器的1-1端口輸出的光信號通過傳輸光纖 5傳輸?shù)焦饫w布拉格光柵6,大部分光透過光纖布 拉格光柵6進(jìn)入錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器7,在鍍有金膜的拉錐光纖錐區(qū)產(chǎn)生的 SPR諧振波長經(jīng)全反射膜8反射，再次經(jīng)過鍍有金膜的拉錐光纖錐區(qū)發(fā)生SPR效應(yīng)，得到的 SPR諧振波長的光一部分經(jīng)光纖布拉格光柵6反射回錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖 SPR傳感器 7,形成一個回路，由光纖布拉格光柵6、拉錐光纖 7和全反射鏡9形成等離子腔體，鍍有金膜 的拉錐光纖的錐區(qū)作為工作物質(zhì)產(chǎn)生等離子體，經(jīng)過多次重復(fù)諧振，使更多的等離子體形 成表面等離子體波，提高SPR的耦合效率，增強諧振波長強度對外部折射率變化的靈敏度， 從而提高光纖SPR傳感器的靈敏度；SPR諧振波長的光另一部分透過光纖布拉格光柵6由 2X 1耦合器4的2_2端口輸出被帶有時間響應(yīng)特性的光電探測器9接收，光電探測器9得 到的電信號經(jīng)過整形、濾波、放大被數(shù)據(jù)采集卡10采集，再將由數(shù)據(jù)采集卡10采集的信號 輸入到PC11機經(jīng)行數(shù)據(jù)分析。由于拉錐光纖的纖芯和包層的直徑減小，使得倏逝波更多的 耦合到包層外，耦合到包層外的倏逝波激發(fā)金屬內(nèi)部的自由電荷并在金屬與介質(zhì)表面產(chǎn)生 表面等離子波，當(dāng)表面等離子波矢與光纖芯層傳輸?shù)膶?dǎo)膜相等時，產(chǎn)生SPR效應(yīng)，表面等離 子波與光纖芯層導(dǎo)膜的耦合系數(shù)會隨著外部折射率的變化而變化，耦合系數(shù)不同，導(dǎo)致SPR 諧振波長的光強大小也不一樣，因此可建立傳輸功率與外部介質(zhì)折射率之間的關(guān)系實現(xiàn)折 射率的測量。
[0019] 該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)基于光纖表面等離子共振的高靈敏度的折射率的強度測量的關(guān) 鍵技術(shù)有：
[0020] 1、光纖布拉格光柵工作波長大于SPR諧振波長的中心波長，且位于諧振波長的正 線性區(qū)內(nèi)，或者光纖布拉格光柵工作波長小于SPR諧振波長的中心波長，且位于諧振波長 的負(fù)線性區(qū)內(nèi)，光纖布拉格光柵對諧振波長的P偏振光的反射率在5%?30%之間。
[0021] 2、拉錐光纖端面鍍的全反射膜對產(chǎn)生SPR效應(yīng)的P偏振光反射率大于等于95%, 同時該反射膜應(yīng)盡量平滑。
[0022] 3、根據(jù)表面等離子體共振理論可知，只有P偏振光才能激發(fā)表面等離子體波 (SPW)，因此利用偏振控制器保證輸入的鍍有金膜的拉錐光纖錐區(qū)的信號光為完全p偏振 光。
[0023] 4、鍍有金膜的傳感區(qū)金膜的厚度和粗糖度。金膜厚度會影響SPR的諧振波長，以 及諧振峰的尖銳程度和消光比；金膜表面的粗糙程度會影響表面等離子體的損失，進(jìn)而影 響SPR的性能。
[0024] 5、均勻腰椎的拉錐光纖的制作，均勻段錐區(qū)直徑、均勻段長度等是拉錐光纖的重 要參數(shù)，均勻段錐區(qū)直徑越小越好，這樣可使更多的纖芯莫耦合成倏逝波作為等離子體激 發(fā)源，由于光纖比較脆，可利用集光機電一體的光纖熔融拉錐系統(tǒng)進(jìn)行制作。同時，應(yīng)該將 制作好的光纖進(jìn)行潔凈度處理。光源的穩(wěn)定性也是SPR傳感器誤差的重要來源，應(yīng)保證光 源工作的穩(wěn)定性。
[0025]本實用新型的一個具體實施例中，海洋光學(xué)的寬帶光源HL-2000,輸出波長360? 2000nm ;脈沖調(diào)制器的調(diào)制頻率為5kHz ;光隔離器型號為10-g-1550-APC，工作波長為 1530-1570nm，隔離度大于等于28dB ;偏振控制器型號為FPC031,工作波長為1260-1625 nm ;拉錐光纖的錐區(qū)直徑為9μηι，傳感長度為4mm ;鍍有金膜的SPR傳感區(qū)的金膜厚度為 5〇nm，表面粗糙度均方根為3. 7nm ;光纖選用G. 652單模光纖；光纖布拉格光柵工作波長為 l543nm,反射率為10%;全反射膜的反射率為98%;光電探測器H)PS3X3,工作波長為1. 0? 2. 9 μ m ;同步數(shù)據(jù)采集卡KPCI-1818,8通道并行采集通道，采樣頻率為5〇〇KS/s,采樣分辨 率為12位；測量樣品的折射率為 ni = 1. 3302, n2 = 1. 3303。
[0026]以上所述及圖中所示的僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式。應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型的原理的前提下，還可以作出若千變型和改進(jìn)， 這些也應(yīng)視為屬于本實用新型的保護(hù)范圍。 Λ
【權(quán)利要求】
1.基于等離子諧振腔的光纖表面等離子體傳感器，包括寬帶光源、光隔離器、偏振控制 器、2 X 1耦合器、傳輸光纖、光纖布拉格光柵、錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器、全反射 膜、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、PC機以及脈沖調(diào)制器，其特征在于 ： 寬帶光源的輸出端與光隔離器相連，光隔離器的輸出端與偏振控制器相連，2X1耦合 器的兩端口的一端分別與偏振控制器的輸出端和光電探測器輸入端相連，2X1耦合器的 一端口 一端與傳輸光纖的一端相連，傳輸光纖的另一端與光纖布拉格光柵的一端相連，錐 區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器未鍍膜的一端與光纖布拉格光柵的輸出端相連，錐區(qū)鍍 有金膜的拉錐光纖SPR傳感器的另一端鍍有全反射膜，數(shù)據(jù)采集卡分別與光電探測器輸出 端、脈沖調(diào)制器輸入端以及PC機相連； 脈沖調(diào)制器、寬帶光源、光隔離器以及偏振控制器組成時序脈沖的P偏振光的發(fā)生區(qū)； 表面等離子諧振腔由光纖布拉格光柵、錐區(qū)鍍有金膜的拉錐光纖SPR傳感器和全反射膜組 成，光纖布拉格光柵工作波長大于SPR諧振波長的中心波長，且位于諧振波長的正線性區(qū) 內(nèi)，或者光纖布拉格光柵工作波長小于SPR諧振波長的中心波長，且位于諧振波長的負(fù)線 性區(qū)內(nèi)，光纖布拉格光柵對諧振波長的P偏振光的反射率在5 %?30 %之間，錐區(qū)鍍有金膜 的拉錐光纖SPR傳感器的錐區(qū)直徑小于等于12 μ m，全反射膜對諧振波長的反射率大于等 于95%，鍍有金膜錐區(qū)作為等離子產(chǎn)生區(qū)和SPR傳感器，金膜的厚度在20nm?100nm之間， 表面粗糙度的均方根小于等于5nm;光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡以及PC機組成信號解調(diào)部分。
【文檔編號】G01N21/41GK204086136SQ201420332833
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】趙春柳, 王小明, 董前民, 沈常宇 申請人:中國計量學(xué)院