基于錐形光纖長周期光柵的反射式spr折射率傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR折射率傳感器，其特征在于包括一個寬帶光源、一個光隔離器、一個偏振控制器、一個3端口光環(huán)形器、一個基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭以及一個光譜儀；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，偏振控制器的輸出端與光環(huán)行器1端口相連，光環(huán)行器的2端口與基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭相連，光環(huán)行器的3端口與光譜儀輸入端相連；其中基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭由錐形光纖、長周期光柵、鍍金膜的傳感區(qū)及全反射膜組成。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，成本低，靈敏度高，使用方便。
【專利說明】
基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR折射率傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR折射率傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]長周期光纖光柵(Long-Per1d Fiber Grating，LPFG)指周期為幾十至幾百微米能實現(xiàn)同向模式間耦合的光纖光柵?，F(xiàn)在通常意義的纖芯基模耦合到同向傳輸?shù)陌鼘幽５拈L周期光纖光柵，是由AT&T貝爾實驗室的Vengsarkar等人于1996年用紫外光通過振幅掩模板照射氫載娃鍺光纖首先研制而成的。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。1968年，德國物理學(xué)家Otto和Kretschmann各自采用(Attenuated Total Reflect1n，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)。
[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 Reflect1n，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(jì)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親合強(qiáng)度和相位的測量，這些檢測有些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對檢測環(huán)境要求嚴(yán)格，有些需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過程，實用性不強(qiáng)，而且通常測量的靈敏度和分辨率不高。
[0004]針對上述基于光纖結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振(SPR)傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈敏度低、分辨率低、使用不便等問題，本實用新型提出一種基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR折射率傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，靈敏度高，使用方便，具有很強(qiáng)的實用價值。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]為了克服基于光纖結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振(SPR)傳感器感頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈敏度低、分辨率低、使用不便等問題，本實用新型提出一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低，靈敏度高，使用方便，具有很強(qiáng)的實用價值的基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR折射率傳感器。
[0006]本實用新型為解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案:
[0007]基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR折射率傳感器，包括:寬帶光源、光隔離器、偏振控制器、3端口光環(huán)形器、基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭、光譜儀。
[0008]基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR折射率傳感器中，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，偏振控制器的輸出端與光環(huán)行器I端口相連，光環(huán)行器的2端口與基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭相連，光環(huán)行器的3端口與光譜儀輸入端相連;基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭由錐形光纖、長周期光柵、鍍金膜的傳感區(qū)及全反射膜組成;其中錐形光纖剩余包層厚度在25μπι到45μπι之間，保證包層模耦合到SPR傳感區(qū)；長周期光柵中心波長根據(jù)待測樣品在400nm到1250nm之間選取;金膜的厚度在30nm到50nm之間，表面粗糙度的均方根小于等于3nm;全反射膜要求對諧振波長的光的反射率在85%以上;鍍金膜的傳感區(qū)周圍待測溶液的折射率變化，引起SPR諧振波長的漂移;光譜儀作為信號測試系統(tǒng)。
[0009]本實用新型的有益效果為:
[0010]本實用新型利用長周期光柵及錐形光纖構(gòu)成反射式SPR傳感頭，提高諧振波長的轉(zhuǎn)化效率，使得諧振波長對折射率的變化更敏感，提高了 SPR傳感器的靈敏度和分辨率；
[0011]本實用新型的傳感頭為探針式傳感頭，這種探針式傳感頭可適用于復(fù)雜檢測環(huán)境，并且所需待測樣品量少；
[0012]本實用新型利用長周期光柵將基模耦合到包層模，并通過降低光纖包層厚度提高模式溢出率，實現(xiàn)折射率的高靈敏度檢測；
[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；
[0014]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(jī)物親和膜，可實現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的揮發(fā)性有機(jī)物的特異性檢測；
[0015]本實用新型利用光譜儀作為信號解調(diào)系統(tǒng)，可實現(xiàn)折射率實時的在線檢測。
【附圖說明】
[0016]圖1為本新型基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR折射率傳感器傳感方法及裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對實用新型進(jìn)一步描述。
[0018]如圖1所示，基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR折射率傳感器，包括:寬帶光源
1、光隔離器2、偏振控制器3、3端口光環(huán)形器4、基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭5、光譜儀6;寬帶光源I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，偏振控制器3的輸出端與光環(huán)行器4的1_1端口相連，光環(huán)行器4的1_2端口與基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭5相連，光環(huán)行器4的1_3端口與光譜儀6的輸入端相連;P偏振光由寬帶光源1、光隔離器2以及偏振控制器3結(jié)構(gòu)產(chǎn)生;基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭5周圍待測溶液的折射率變化，引起SPR諧振波長的漂移;光譜儀6作為信號測試系統(tǒng);基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭5包括錐形光纖7、長周期光柵8、鍍金膜的傳感區(qū)9及全反射膜10;其中錐形光纖7剩余包層厚度在25μπι到45μπι之間，保證包層模耦合到SPR傳感區(qū)；長周期光柵8中心波長根據(jù)待測樣品在400nm到1250nm之間選取;鍍金膜的傳感區(qū)9作為等離子產(chǎn)生區(qū)和SPR傳感區(qū)，金膜的厚度在30nm到50nm之間，表面粗糙度的均方根小于等于3nm;全反射膜10要求對諧振波長的光的反射率在85%以上。
[0019]本實用新型的工作方式為:寬帶光源I產(chǎn)生信號光，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偏振光從光環(huán)行器4的1_1端口輸入，從光環(huán)行器4的1_2端口輸出，從光環(huán)行器4的1_2端口輸出的光信號經(jīng)傳輸光纖進(jìn)入基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭5，輸入光經(jīng)長周期光柵8耦合后，進(jìn)入鍍金膜的傳感區(qū)9，由于錐形光纖7包層的厚度減少，并且長周期光柵8將基膜耦合到包層模，纖芯和包層的一些模式以倏逝波的形式耦合光纖包層與金膜的交界面產(chǎn)生表面等離子體共振效應(yīng)，產(chǎn)生表面等離子體共振效應(yīng)的光波以表面等離子波的形式存在，剩余的光波繼續(xù)傳播，經(jīng)全反射膜10反射后，再次經(jīng)過鍍金膜的傳感區(qū)9發(fā)生SPR效應(yīng)，經(jīng)過兩次諧振，將產(chǎn)生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(qiáng)諧振波長對外部折射率變化的靈敏度，從而提高光纖SPR傳感器的靈敏度和分辨率;反射譜經(jīng)由光環(huán)行器4的1_3端口輸出被光譜儀6接收，當(dāng)被測物理量的折射率發(fā)生變化時，SPR諧振波長的產(chǎn)生漂移，通過檢測波長的漂移量，結(jié)合SPR傳感器的特性，實現(xiàn)折射率的高靈敏度測量。
[0020]該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR折射率傳感器測量的關(guān)鍵技術(shù)有:
[0021]1、基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭是實現(xiàn)高靈敏度測量的基礎(chǔ)。
[0022]2、長周期光柵的光柵周期決定其耦合模式的中心波長，通過合理選擇光柵周期，使中心波長位于SPR的共振波長附近，提高其敏感度。
[0023]3、錐形光纖剩余包層的厚度。隨著包層厚度的減小，會使得越來越多的纖芯模耦合到空氣間隙，但要是包層太薄，會導(dǎo)致出現(xiàn)模式不匹配，使得纖芯模完全泄露，損耗太大；太厚導(dǎo)致耦合到金膜包層交界面的模式太少，SPR耦合效率降低，因此剩余包層的厚度應(yīng)控制在25μπι到45μπι之間。
[0024]4、刻有長周期光纖光柵區(qū)域的金膜的厚度和粗糙度。金膜厚度會影響SPR的諧振波長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，因此，金膜的厚度應(yīng)嚴(yán)格控制30nm?50nm之間，金膜表面的粗糙度的均方根應(yīng)小于等于3nm。
[0025]5、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錐形光纖的信號光為完全P偏振光;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。
[0026]本實用新型的一個具體實施例中，Thorlabs的穩(wěn)定鹵鎢燈，型號SLS201(/M)輸出波長300到2600nm之間；光隔離器型號為10-2D-633-VLPa，工作波長為560-663nm，隔離度在35-40dB之間；偏振控制器型號為PLC-900; 3端口光環(huán)行器為四川致遠(yuǎn)科技生產(chǎn)，隔離度在40-50dB之間；錐形光纖纖芯直徑為9μπι，剩余包層的厚度為30μπι，軸向長度為Icm;長周期光纖光柵光柵周期0.257111111，中心波長為66011111;金膜厚度為4511111，表面粗糙度均方根為2.311111;折射率測量范圍為1.3?1.4。
[0027]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。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本實用新型的原理的前提下，還可以作出若干變型和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為屬于本實用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR折射率傳感器，包括:寬帶光源、光隔離器、偏振控制器、3端口光環(huán)形器、基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭、光譜儀； 本實用新型中，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，偏振控制器的輸出端與光環(huán)行器I端口相連，光環(huán)行器的2端口與基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭相連，光環(huán)行器的3端口與光譜儀輸入端相連； 基于錐形光纖長周期光柵的反射式SPR傳感頭由錐形光纖、長周期光柵、鍍金膜的傳感區(qū)及全反射膜組成;其中錐形光纖剩余包層厚度在25μπι到45μπι之間，保證包層模耦合到SPR傳感區(qū)；長周期光柵中心波長根據(jù)待測樣品在400nm到1250nm之間選取;金膜的厚度在30nm到50nm之間，表面粗糙度的均方根小于等于3nm;全反射膜要求對諧振波長的光的反射率在.85 %以上;鍍金膜的傳感區(qū)周圍待測溶液的折射率變化，弓I起SPR諧振波長的漂移;光譜儀作為信號測試系統(tǒng)。
【文檔編號】G01N21/41GK205656127SQ201620332936
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年4月13日 公開號201620332936.9, CN 201620332936, CN 205656127 U, CN 205656127U, CN-U-205656127, CN201620332936, CN201620332936.9, CN205656127 U, CN205656127U
【發(fā)明人】丁哲文, 趙春柳
【申請人】中國計量大學(xué)