一種纖維集成多螺旋芯光纖spr傳感陣列芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種纖維集成多螺旋芯光纖SPR傳感陣列芯片，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種可以廣泛應(yīng)用于生物傳感、化學(xué)分析、藥品研發(fā)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域的纖維集成多螺旋芯光纖SPR傳感陣列芯片。由光纖包層1、雙芯或多芯光纖拉錐耦合區(qū)2、D型拋磨面3、一定厚度的金納米膜4、中心纖芯5、偏心纖芯6組成，該傳感芯片中的各個傳感單元具有不同SPR諧振角，可實現(xiàn)一次性同時對樣品中多種不同物質(zhì)進行分析和檢測，從而克服了傳統(tǒng)檢測技術(shù)操作復(fù)雜，自動化程度低、檢測效率低等在先技術(shù)的不足。
【專利說明】
-種纖維集成多螺旋巧光纖SPR傳感陣列巧片
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及的是一種可W廣泛應(yīng)用于生物傳感、化 學(xué)分析、藥品研發(fā)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域的纖維集成多螺旋忍光纖SH?傳感 陣列忍片。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)傳感器結(jié)合了多螺旋 忍光纖技術(shù)與超高靈敏度的SH?傳感技術(shù)，可實現(xiàn)實時監(jiān)測、遠程傳輸?shù)墓δ?。表面等離子 體共振傳感器對界面處介質(zhì)成分的微小變化非常敏感，已廣泛應(yīng)用于在表面檢測、生物醫(yī) 學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。上世紀(jì)90年代第一根光纖表面等離子體共振傳感器(FO-SPR)制 成，表現(xiàn)出抗干擾、集成性好、微樣本測量、實時監(jiān)測、裝置經(jīng)濟、多通道測量等優(yōu)點。如今， 設(shè)計具有靈敏度高，滿足靈活性、實用性要求的光纖SH?傳感器已成為國內(nèi)外傳感器領(lǐng)域的 研究熱點。
[0003] 光纖SPR傳感器是利用表面等離子體激元共振原理，采用光纖作為導(dǎo)光介質(zhì)制作 而成的光學(xué)傳感器。其利用入射光在纖忍界面處發(fā)生全反射而產(chǎn)生的倏逝波，在一定條件 下，與金屬表面自由電子產(chǎn)生的表面等離子體波(surface plasmon wave,SPW)發(fā)生共振現(xiàn) 象，使得入射光的能量被吸收，繼而導(dǎo)致反射光能量的指數(shù)衰減，并在反射光的能量曲線上 表現(xiàn)出共振峰。當(dāng)處于金屬薄膜表面的待測介質(zhì)發(fā)生變化時，會引起共振峰的變化，進而可 W通過分析共振峰的位置來計算介質(zhì)的變化。纖維集成多螺旋忍光纖SPR傳感忍片將多螺 旋忍光纖技術(shù)與超高靈敏度的SH?傳感技術(shù)進行了有效的結(jié)合，融合了光纖和SPR傳感器的 諸多優(yōu)點于一體。
[0004] 在過去的二十多年中，W德國物理學(xué)家化to和Kretschmann分別設(shè)計出了 W棱鏡 為基體，采用衰減全反射(Attenuate Total Reflection,ATR)激發(fā)Sra效應(yīng)的模型為基礎(chǔ) 的SH?測量裝置。由此，基于表面等離子體的研究及其應(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注，目前基 于Kretschmann結(jié)構(gòu)的Sra分析儀已經(jīng)商業(yè)化。但是運些設(shè)備由于具有體積大、不適合遠程 遙測、信號易受機械振動影響導(dǎo)致系統(tǒng)測試結(jié)果不穩(wěn)定等問題而制約了該技術(shù)的廣泛應(yīng) 用。
[0005] 在光纖傳感領(lǐng)域，人們一直在不斷追求探索高分辨率、微型化和陣列化的傳感技 術(shù)。隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)和功能的傳感器不斷涌現(xiàn)。文獻(Biosensors and Bioelectronics ,0956-5663,2013,45卷，230-236頁）中提出基于氧化石墨締涂抹在納米金 膜上的表面等離子體共振傳感器，W提高傳感器的靈敏度，得到的了較滿意的效果。文獻 (Anal^ical Chemis化y，0003-2700,2005,77卷，13期，4282-4285頁）中，利用分子印跡聚 合物嵌入在金納米膜中，實現(xiàn)了共振效應(yīng)的增強。上述研究雖然取得了一定的效果，但是工 藝過程復(fù)雜，難W被廣泛應(yīng)用。文獻(Optics Letters，0146-9592,2015,40卷，12期，2826- 2829頁）中，提出了一種采用雙忍光纖的基模傳輸?shù)墓饫wSI?傳感器，將雙忍光纖磨成錐模 形狀，在端面上鍛有50nm厚度的金膜，靈敏度達到了 6463nm/RIU。
[0006] 此外，申請?zhí)枮?01010034270.6的發(fā)明專利提出一種表面等離子共振傳感器忍片 組件及柱面棱鏡忍片，具有一體化的柱面棱鏡忍片、流池和流池蓋，大幅提高了 SH?傳感器 檢測效率，但是由于采用了棱鏡作為組件，體積大，限制其應(yīng)用范圍。申請?zhí)枮?201010239909.4的發(fā)明專利，提出了一種基于表面等離子體共振與生物傳感水的忍片，該 發(fā)明可W-次性檢測出水體中多種不同物質(zhì)成分的濃度，提高了水體檢測效率，但是其要 求擴束鏡、起偏器、等腰直角棱鏡、四分之一波片、檢偏器等器件必須嚴(yán)格滿足一定的位置 關(guān)系，因此不適合廣泛的應(yīng)用。申請?zhí)枮?01420606299.0的實用新型專利提出一種基于SPR 的高靈敏度寬測量范圍的折射率傳感器，該SH?傳感器利用光刻蝕技術(shù)在側(cè)邊拋磨單模光 纖的殘余包層形成的微流通道來增強SH?效應(yīng)，是一種低成本的傳感器。2005年，美國亞利 桑那州立大學(xué)的Soame Banerji等人在國際期刊化tics Letters上發(fā)表的文章指出，利用 基于光纖的SH?雙傳感通道的傳感器可實現(xiàn)2X ICT4RIU分辨率的測量，折射率的測量范圍 1.328~1.346,靈敏度為1.8 X ICT2RIUd該文中，在實驗前需要在一個鍛金膜的傳感區(qū)鍛聚 合物，而且厚度IOOnm需要嚴(yán)格控制，加工工藝和傳感結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜。
[0007] 本發(fā)明根據(jù)現(xiàn)代傳感領(lǐng)域的需求并結(jié)合已有的SH?傳感器的優(yōu)點，提出一種新型 結(jié)構(gòu)的纖維集成多螺旋忍陣列SH?傳感忍片。該傳感忍片中的各個傳感單元具有不同SHU皆 振角，可實現(xiàn)一次性同時對樣品中多種不同物質(zhì)進行分析和檢測，從而克服了傳統(tǒng)檢測技 術(shù)操作復(fù)雜，自動化程度低、檢測效率低等在先技術(shù)的不足。本發(fā)明所采用的螺旋忍光纖結(jié) 構(gòu)，纖忍的彎曲結(jié)構(gòu)建構(gòu)在光纖的內(nèi)部，通過合理的設(shè)置幾何參數(shù)和物理參數(shù)，可W有效的 將高階模式去除，實現(xiàn)單模傳輸與傳感，具有分辨率高、穩(wěn)定性好的測量的特點，而且在進 行傳感測量時無需對光纖進行彎曲，操作簡單，相比傳統(tǒng)的SPR傳感器有更大的性價比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種可W廣泛應(yīng)用于生物傳感、化學(xué)分析、藥品研發(fā)、食品 安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域的纖維集成多螺旋忍光纖SPR傳感陣列忍片。
[0009] 本發(fā)明的目的是運樣實現(xiàn)的：
[0010] -種纖維集成多螺旋忍光纖SPR傳感陣列忍片，由光纖包層1、雙忍或多忍光纖拉 錐禪合區(qū)2、D型拋磨面3、一定厚度的金納米膜4、中屯、纖忍5、偏屯、纖忍6組成，所述的纖維集 成多螺旋忍SPR傳感陣列忍片，是采用雙忍或多忍光纖，借助于熱融旋轉(zhuǎn)技術(shù)制備成多螺旋 忍光纖后，再通過采用光纖側(cè)面研磨拋光的方法使多個光纖忍裸露;最后，采用瓣射法在光 纖忍裸露處瓣射上金納米膜的方法制作而成的；采用雙忍或多忍光纖，借助于熱融旋轉(zhuǎn)技 術(shù)制備出漸變螺距的螺旋忍光纖結(jié)構(gòu)，從而可W形成一系列螺距傾角漸變的螺旋忍光纖， 等效于多個不同螺距的光纖的級聯(lián)。
[0011] 對運種螺距漸變的多螺旋忍光纖，進行側(cè)面研磨拋光，然后采用瓣射法在該拋磨 平面上制備金納米膜，從而可W獲得多個SH?傳感單元，由于運些傳感單元具有不同的SPR 共振激發(fā)角，因而構(gòu)成了一個集成的陣列SPR傳感器忍片。
[0012] 在偏雙忍或多忍螺旋光纖的一端采用烙融拉錐禪合技術(shù)，焊接一段標(biāo)準(zhǔn)單模光 纖，并在焊點處實施烙融拉錐，從而實現(xiàn)了光波從中屯、纖忍禪合注入到每個螺旋光纖忍的 目的；
[0013] 螺距不等的多螺旋忍光纖中，每一條單個螺旋纖忍構(gòu)成了沿著運個纖忍的縱向空 分復(fù)用SH?傳感陣列，運種空分復(fù)用的實質(zhì)是由于SHU皆振角度的不同而實現(xiàn)的波分復(fù)用， 因而可W通過波長掃描的辦法實現(xiàn)傳感器陣列的解調(diào);而多條并行的多個螺旋纖忍則構(gòu)成 了橫向并行的空間分離和螺距漸進的空分復(fù)用SPR傳感陣列。
[0014]在出射端鍛制反射膜，從而可進一步構(gòu)成多路集成的并行Michelson干設(shè)儀陣列， 反射回來的光會進行波長匹配干設(shè)，即形成了相位敏感型陣列SPR傳感忍片。
[001日]在出射端進行二次拉錐禪合，從而可進一步構(gòu)成多路集成的并行Mach-Zehnder干 設(shè)儀陣列，透射光會進行波長匹配干設(shè)，即形成了相位敏感型陣列SPR傳感忍片。
[0016] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0017] 本發(fā)明根據(jù)現(xiàn)代傳感領(lǐng)域的需求并結(jié)合已有的SH?傳感器的優(yōu)點，提出一種新型 結(jié)構(gòu)的纖維集成多螺旋忍陣列SH?傳感忍片。該傳感忍片中的各個傳感單元具有不同SHU皆 振角，可實現(xiàn)一次性同時對樣品中多種不同物質(zhì)進行分析和檢測，從而克服了傳統(tǒng)檢測技 術(shù)操作復(fù)雜，自動化程度低、檢測效率低等在先技術(shù)的不足。本發(fā)明所采用的螺旋忍光纖結(jié) 構(gòu)，纖忍的彎曲結(jié)構(gòu)建構(gòu)在光纖的內(nèi)部，通過合理的設(shè)置幾何參數(shù)和物理參數(shù)，可W有效的 將高階模式去除，實現(xiàn)單模傳輸與傳感，具有分辨率高、穩(wěn)定性好的測量的特點，而且在進 行傳感測量時無需對光纖進行彎曲，操作簡單，相比傳統(tǒng)的SPR傳感器有更大的性價比。
【附圖說明】
[0018] 圖1(a)是基于偏雙忍光纖制備成的纖維集成雙螺旋忍陣列SH?傳感忍片結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0019] 圖1(b)是基于偏雙忍光纖制備成的纖維集成雙螺旋忍陣列SPR傳感忍片構(gòu)成的 Mach-Zehnder干設(shè)儀的結(jié)構(gòu)示意圖。在出射端進行二次拉錐禪合，形成了Mach-Zehnder干 設(shè)儀結(jié)構(gòu)，進而形成了相位敏感的SPR傳感忍片。
[0020] 圖2(a)是基于對稱=忍光纖制備成的纖維集成=螺旋忍陣列SH?傳感忍片構(gòu)成的 Michelson干設(shè)儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2(b)是基于對稱=忍光纖制備成的纖維集成=螺旋忍陣列SH?傳感忍片構(gòu)成的 Mach-Zehnder干設(shè)儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖3基于具有中間忍的四忍光纖制備成的纖維集成四螺旋忍陣列SPR傳感忍片的 結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖4是基于屯忍光纖制備成的纖維集成屯螺旋忍陣列SPR傳感忍片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖5是基于不具有中屯、纖忍的對稱分布的雙忍光纖制備成的纖維集成多螺旋忍陣 列SPR傳感忍片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖6是基于不具有中屯、纖忍的對稱分布的=忍光纖制備成的纖維集成多螺旋忍陣 列SPR傳感忍片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖7是基于不具有中屯、纖忍的對稱分布的四忍光纖制備成的纖維集成多螺旋忍陣 列SPR傳感忍片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖8是基于不具有中屯、纖忍的對稱分布的六忍光纖制備成的纖維集成多螺旋忍陣 列SPR傳感忍片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖9是采用掩模化學(xué)蝕刻的方法進行局部的去除，制備的SPR陣列傳感忍片結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0029] 圖10是采用紫外激光或飛秒激光微加工技術(shù)，在多螺旋忍光纖表面實施選擇性的 局部微槽加工，制備的SPR傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。
[0031] 本發(fā)明公開的是一種纖維集成多螺旋忍陣列SPR傳感忍片。光纖包層1、雙忍或多 忍光纖拉錐禪合區(qū)2、D型拋磨面3、一定厚度的金納米膜4、中屯、纖忍5、偏屯、纖忍6組成。本發(fā) 明所提出的運種纖維集成多螺旋忍陣列SH?傳感忍片，是基于光纖的新型結(jié)構(gòu)SPR傳感器陣 列，將高靈敏度的SPR傳感技術(shù)與多忍螺旋光纖技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)明了一種具有不同出射角 的陣列SH?傳感器，可實現(xiàn)一次性同時對樣品中多種不同物質(zhì)進行檢測和分析的目的，從而 克服了傳統(tǒng)檢測技術(shù)操作復(fù)雜，自動化程度低、檢測效率低等不足。本發(fā)明采用螺旋忍光纖 結(jié)構(gòu)，纖忍的幾何彎曲結(jié)構(gòu)是建構(gòu)在光纖的內(nèi)部，通過優(yōu)化設(shè)置幾何參數(shù)和物理參數(shù)可W 有效的將高階模式去除，實現(xiàn)單模傳輸，從而獲得高分辨率、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果。而且通 過調(diào)整螺旋忍光纖的幾何參數(shù)可W得到各種SPR共振角，進而滿足不同的測量需求。本發(fā)明 在保留了全光纖SPR傳感器陣列體積小、不易受外界環(huán)境影響的同時，還具有制作簡單、適 合于批量規(guī)模化生產(chǎn)的特點。該光纖SH?傳感器陣列忍片使用方便、可W廣泛應(yīng)用于生物傳 感、化學(xué)分析、藥品研發(fā)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。
[0032] 本發(fā)明除了適用于具有中屯、纖忍的雙忍、S忍、四忍、屯忍光纖外，還可W適用于 不具有中屯、纖忍的對稱分布的雙忍、=忍、四忍、六忍光纖。
[0033] 本發(fā)明中為了使得局部螺旋光纖忍裸露，除了可W采用側(cè)面實施的平面研磨拋光 方法外，還可W采用掩模化學(xué)蝕刻的方法進行局部的去除，從而使多個螺旋光纖忍裸露，進 而進行金納米膜的鍛制，從而制備出SPR陣列傳感忍片。
[0034] 本發(fā)明中為了使得局部螺旋光纖忍裸露，采用了單個側(cè)面實施平面的研磨拋光， 不違背本發(fā)明的精神，還可W采用多個側(cè)面實施平面的研磨拋光，從而進一步增加 SH?傳感 器陣列單元的個數(shù)，提高光纖SPR忍片傳感單元的總數(shù)。
[0035] 本發(fā)明中為了使得局部螺旋光纖忍裸露，不違背本發(fā)明的精神，還可W采用紫外 激光或飛秒激光微加工技術(shù)，在多螺旋忍光纖表面實施選擇性的局部微槽加工，從而使多 個螺旋光纖忍裸露，運些微槽可W是沿著光纖縱向陣列開槽，也可W橫向圍繞光纖表面橫 向陣列開槽，還可W沿著整個光纖表面制備出陣列槽，進而進行金納米膜鍛制，從而制備出 SPR陣列傳感忍片。
[0036] 本發(fā)明所提出的運種纖維集成多螺旋忍陣列SH?傳感忍片，是基于光纖的新型結(jié) 構(gòu)SH?傳感器陣列，將高靈敏度的SPR傳感技術(shù)與多忍螺旋光纖技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)明了一種 具有不同出射角的陣列SH?傳感器，可實現(xiàn)一次性同時對樣品中多種不同物質(zhì)進行檢測和 分析的目的，從而克服了傳統(tǒng)檢測技術(shù)操作復(fù)雜，自動化程度低、檢測效率低等不足。本發(fā) 明采用螺旋忍光纖結(jié)構(gòu)，纖忍的幾何彎曲結(jié)構(gòu)是建構(gòu)在光纖的內(nèi)部，通過優(yōu)化設(shè)置幾何參 數(shù)和物理參數(shù)可W有效的將高階模式去除，實現(xiàn)單模傳輸，從而獲得高分辨率、高穩(wěn)定性的 測量結(jié)果。而且通過調(diào)整螺旋忍光纖的幾何參數(shù)可W得到各種SH?共振角，進而滿足不同的 測量需求。本發(fā)明在保留了全光纖SH?傳感器陣列體積小、不易受外界環(huán)境影響的同時，還 具有制作簡單、適合于批量規(guī)模化生產(chǎn)的特點。該光纖SH?傳感器陣列忍片使用方便、可W 廣泛應(yīng)用于生物傳感、化學(xué)分析、藥品研發(fā)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。
[0037] -種纖維集成多螺旋忍光纖SPR傳感陣列忍片。如圖l(a)、2(a)、3和圖4所示，它由 光纖包層1、雙忍或多忍光纖拉錐禪合區(qū)2、D型拋磨面3、一定厚度的金納米膜4、中屯、纖忍5、 偏屯、纖忍6組成。所述的纖維集成多螺旋忍SPR傳感陣列忍片，是采用雙忍或多忍光纖，借助 于熱融旋轉(zhuǎn)技術(shù)制備成多螺旋忍光纖后，再通過采用光纖側(cè)面研磨拋光的方法使多個光纖 忍裸露;最后，采用瓣射法在光纖忍裸露處瓣射上金納米膜的方法制作而成的。
[0038] 采用雙忍或多忍光纖，借助于熱融旋轉(zhuǎn)技術(shù)制備出漸變螺距的螺旋忍光纖結(jié)構(gòu)， 從而可W形成一系列螺距傾角漸變的螺旋忍光纖，等效于多個不同螺距的光纖的級聯(lián)。對 運種螺距漸變的多螺旋忍光纖，進行側(cè)面研磨拋光，然后采用瓣射法在該拋磨平面上制備 金納米膜，從而可W獲得多個SH?傳感單元，由于運些傳感單元具有不同的SPR共振激發(fā)角， 因而構(gòu)成了一個集成的陣列SPR傳感器忍片。
[0039] 在偏雙忍或多忍螺旋光纖的一端采用烙融拉錐禪合技術(shù)，焊接一段標(biāo)準(zhǔn)單模光 纖，并在焊點處實施烙融拉錐，從而實現(xiàn)了光波從中屯、纖忍禪合注入到每個螺旋光纖忍的 目的。
[0040] 螺距不等的多螺旋忍光纖中，每一條單個螺旋纖忍構(gòu)成了沿著運個纖忍的縱向空 分復(fù)用SH?傳感陣列，運種空分復(fù)用的實質(zhì)是由于SHU皆振角度的不同而實現(xiàn)的波分復(fù)用， 因而可W通過波長掃描的辦法實現(xiàn)傳感器陣列的解調(diào);而多條并行的多個螺旋纖忍則構(gòu)成 了橫向并行的空間分離和螺距漸進的空分復(fù)用SPR傳感陣列。
[0041] 在出射端鍛制反射膜，從而可進一步構(gòu)成多路集成的并行Michelson干設(shè)儀陣列， 如圖2(a)所示。反射回來的光會進行波長匹配干設(shè)，即形成了相位敏感型陣列SPR傳感忍 片。在出射端進行二次拉錐禪合，從而可進一步構(gòu)成多路集成的并行Mach-Zehnder干設(shè)儀 陣列，如圖l(b)、2(b)所示。投射光會進行波長匹配干設(shè)，即形成了相位敏感型陣列SH?傳感 忍片。
[0042] 本發(fā)明除了適用于具有中屯、纖忍的雙忍、S忍、四忍、屯忍光纖外，如圖1(a)、圖2 (a)、圖3和圖4所示。還可W適用于不具有中屯、纖忍的對稱分布的雙忍、=忍、四忍、六忍光 纖，如圖5、圖6、圖7、圖8所示。
[0043] 本發(fā)明中為了使得局部螺旋光纖忍裸露，除了可W采用側(cè)面實施平面的研磨拋光 的方法外，還可W采用掩?；瘜W(xué)蝕刻的方法進行局部的去除，從而使多個螺旋光纖忍裸露， 進而進行金納米膜的鍛制，從而制備出SPR陣列傳感忍片，如圖9所示。
[0044] 本發(fā)明中為了使得局部螺旋光纖忍裸露，采用了單個側(cè)面實施平面的研磨拋光， 還可W采用多個側(cè)面實施平面的研磨拋光，從而進一步增加 SH?傳感器陣列單元的個數(shù)，提 高光纖SPR忍片傳感單元的總數(shù)。
[0045] 本發(fā)明中為了使得局部螺旋光纖忍裸露，還可W采用紫外激光或飛秒激光微加工 技術(shù)，在多螺旋忍光纖表面實施選擇性的局部微槽加工，從而使多個螺旋光纖忍裸露，運些 微槽可W是沿著光纖縱向陣列開槽，也可W橫向圍繞光纖表面橫向陣列開槽，還可W沿著 整個光纖表面制備出陣列槽，進而進行金納米膜的鍛制，從而制備出SH?陣列傳感忍片。如 圖10所示。
[0046] 圖1給出了基于偏雙忍光纖制備的纖維集成雙螺旋忍陣列SH?傳感忍片結(jié)構(gòu)示意 圖。它由光纖包層1、雙忍光纖拉錐禪合區(qū)2、D型拋面3、一定厚度的納米金膜4、中屯、忍5、偏 屯、忍6組成。所述纖維集成雙螺旋忍陣列SH?傳感忍片，首先，采用雙忍偏屯、光纖進行制備， 借助于熱融旋轉(zhuǎn)技術(shù)制備螺旋忍光纖;其次，采用光纖側(cè)拋方法使光纖忍裸露;然后，采用 瓣射法制備納米金膜。借助于熱融旋轉(zhuǎn)技術(shù)制備出漸變螺距的螺旋忍光纖結(jié)構(gòu)，形成一系 列螺距傾角漸變的螺旋忍光纖，等效于多個不同螺距的光纖的級聯(lián)。對制備好的螺距漸變 的螺旋忍光纖，進行側(cè)面研磨拋光，采用瓣射法制備納米金膜，制備成出射角不同的陣列 SPR傳感器。在偏雙忍螺旋光纖的一端采用烙融拉錐禪合技術(shù)，實現(xiàn)光的注入。
[0047] 為了求出共振角，下面給出數(shù)學(xué)描述。
[0048] 根據(jù)SH?產(chǎn)生的原理可知：當(dāng)入射波的波矢滿足一定的條件時，一部分能量通過金 屬膜內(nèi)的消逝波在金屬與樣品的分界面上傳遞給了表面等離子體波，此時，消逝波與表面 等離子體波發(fā)生了共振，共振時能量從光子轉(zhuǎn)移到表面等離子體波，入射光的大部分能量 被表面等離子體波吸收，使得反射光的能量急劇減少。此時在反射光強的響應(yīng)曲線上，可W 看到一個吸收峰，該吸收峰對應(yīng)的入射光波長為共振波長Aspr，對應(yīng)的入射角為共振角0spr。
[0049] 當(dāng)纖忍中的光束(波矢k= ?/c)W0cDre角度入射到金屬薄膜上，則其X方向上的波 矢可W表示為：
[00 加；
(1)
[0化1] Ecore為纖忍的介電常數(shù)。
[0052]對于絕大部分金屬而言，其復(fù)介電常數(shù)的實部和虛部滿足Ierl >Ei>l，則可知表 面等離子體波的波矢在X方向上的分量滿足：
[0化3] 巧)
[0054] f 即：
[0化5] 侶)
[0056] ei、E2分別為金屬和待測介質(zhì)的介電常數(shù)。
[0057] 螺旋忍光纖是利用螺旋忍的等效曲率半徑代替光纖的彎曲，等效曲率半徑可W利 用下式講巧宵.
[0化引
曲
[0059] 其中0為螺旋忍的軌跡角。綜合公式（1)、（2)、（3)、（4)可^得到螺距與共振角的關(guān) 系，從而根據(jù)待測需求，對光纖進行扭轉(zhuǎn)，得到不同出射角的SPR傳感器陣列。
[0060] 實施例1:纖維集成S螺旋忍陣列SPR傳感忍片的制備
[0061] 如圖2(a)和圖2(b)所示的分別為基于對稱=忍光纖制備成的纖維集成=螺旋忍 陣列SH?傳感忍片，=個光纖忍所形成的=條光波通道構(gòu)成了=光束Michelson干設(shè)儀和= 光束Mach-Zehnder干設(shè)儀。
[0062] 如圖2所示基于對稱=忍纖維集成=螺旋忍陣列SH?傳感忍片構(gòu)成的Michelson干 設(shè)儀，其結(jié)構(gòu)包括：寬帶光源1、=端口光纖環(huán)形器2、信號處理單元3、光纖包層4、光纖拉錐 禪合區(qū)5、D型拋磨面6、一定厚度的納米金膜7、光纖反射端8和對稱分布的=個纖忍9組成。 其制作方法是:首先，采用對稱分布的=忍光纖，借助于熱融旋轉(zhuǎn)技術(shù)制備螺旋=忍光纖； 其次，采用光纖側(cè)拋方法使光纖忍裸露;然后，采用瓣射法制備納米金膜，在光纖的另一端 鍛有銀膜實現(xiàn)對光信號的全反射，利用公知的光纖烙融拉錐技術(shù)和光纖烙接技術(shù)，將入射 光纖與=忍光纖進行烙接禪合并實施拉錐，構(gòu)成光纖內(nèi)=光束Michelson干設(shè)儀結(jié)構(gòu)。
[0063] 實施例2:纖維集成多螺旋忍陣列SPR傳感忍片的制備
[0064] 本發(fā)明除了適用于具有中屯、纖忍的雙忍、S忍、四忍、屯忍光纖外，如圖1(a)、圖2 (a)、圖3和圖4所示。還可W適用于不具有中屯、纖忍的對稱分布的雙忍、=忍、四忍、六忍光 纖，如圖5、圖6、圖7、圖8所示。其制作方法與實施例1所述的方法相同，此不寶述。
[0065] 實施例3:多螺旋忍光纖表面局部去除的方法
[0066] 為了使得局部螺旋光纖忍裸露，除了可W采用側(cè)面實施平面的研磨拋光的方法 夕h還可W采用掩?；瘜W(xué)蝕刻的方法進行局部的去除，從而使多個螺旋光纖忍裸露，進而進 行金納米膜的鍛制，從而制備出SPR陣列傳感忍片，如圖9所示。
[0067] 為了使得局部螺旋光纖忍裸露，采用了單個側(cè)面實施平面的研磨拋光，還可W采 用多個側(cè)面實施平面的研磨拋光，從而進一步增加 SH?傳感器陣列單元的個數(shù)，提高光纖 SPR忍片傳感單元的總數(shù)。
[0068] 也可W采用紫外激光或飛秒激光微加工技術(shù)，在多螺旋忍光纖表面實施選擇性的 局部微槽加工，從而使多個螺旋光纖忍裸露，運些微槽可W是沿著光纖縱向陣列開槽，也可 W橫向圍繞光纖表面橫向陣列開槽，還可W沿著整個光纖表面制備出陣列槽，進而進行鍛 制金納米膜來制備SPR陣列傳感忍片。如圖10所示。
【主權(quán)項】
1. 一種纖維集成多螺旋芯光纖SPR傳感陣列芯片，由光纖包層（I)、雙芯或多芯光纖拉 錐耦合區(qū)（2)、D型拋磨面(3)、一定厚度的金納米膜(4)、中心纖芯(5)、偏心纖芯(6)組成，其 特征在于:所述的纖維集成多螺旋芯SPR傳感陣列芯片，是采用雙芯或多芯光纖，借助于熱 融旋轉(zhuǎn)技術(shù)制備成多螺旋芯光纖后，再通過采用光纖側(cè)面研磨拋光的方法使多個光纖芯裸 露;最后，采用濺射法在光纖芯裸露處濺射上金納米膜的方法制作而成的;采用雙芯或多芯 光纖，借助于熱融旋轉(zhuǎn)技術(shù)制備出漸變螺距的螺旋芯光纖結(jié)構(gòu)，從而可以形成一系列螺距 傾角漸變的螺旋芯光纖，等效于多個不同螺距的光纖的級聯(lián)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維集成多螺旋芯光纖SPR傳感陣列芯片，其特征在于： 對這種螺距漸變的多螺旋芯光纖，進行側(cè)面研磨拋光，然后采用濺射法在該拋磨平面上制 備金納米膜，從而可以獲得多個SPR傳感單元，由于這些傳感單元具有不同的SPR共振激發(fā) 角，因而構(gòu)成了一個集成的陣列SPR傳感器芯片。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維集成多螺旋芯光纖SPR傳感陣列芯片，其特征在于： 在偏雙芯或多芯螺旋光纖的一端采用熔融拉錐耦合技術(shù)，焊接一段標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，并在焊 點處實施熔融拉錐，從而實現(xiàn)了光波從中心纖芯耦合注入到每個螺旋光纖芯的目的。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維集成多螺旋芯光纖SPR傳感陣列芯片，其特征在于： 螺距不等的多螺旋芯光纖中，每一條單個螺旋纖芯構(gòu)成了沿著這個纖芯的縱向空分復(fù)用 SPR傳感陣列，這種空分復(fù)用的實質(zhì)是由于SPR諧振角度的不同而實現(xiàn)的波分復(fù)用，因而可 以通過波長掃描的辦法實現(xiàn)傳感器陣列的解調(diào);而多條并行的多個螺旋纖芯則構(gòu)成了橫向 并行的空間分離和螺距漸進的空分復(fù)用SPR傳感陣列。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維集成多螺旋芯光纖SPR傳感陣列芯片，其特征在于： 在出射端鍍制反射膜，從而可進一步構(gòu)成多路集成的并行Michelson干涉儀陣列，反射回來 的光會進行波長匹配干涉，即形成了相位敏感型陣列SPR傳感芯片。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維集成多螺旋芯光纖SPR傳感陣列芯片，其特征在于： 在出射端進行二次拉錐親合，從而可進一步構(gòu)成多路集成的并行Mach-Zehnder干涉儀陣 列，透射光會進行波長匹配干涉，即形成了相位敏感型陣列SPR傳感芯片。
【文檔編號】G01N21/552GK105954236SQ201610136679
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年3月10日
【發(fā)明人】苑立波, 何學(xué)蘭, 張曉彤
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)