拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法。

背景技术：

在过去的几十年里，随着光纤通信和光电技术的迅速发展，光纤传感技术也得到了比较全面的发展。光纤传感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、可弯曲扭曲、进行点式和分布式测量等优点在建筑工程、电力工业、航天航海、环境检测及生化传感等领域广泛应用。美国最早研究出了光纤陀螺仪、水声器、磁强计等光纤传感器和用于核辐射监测的光纤传感器。目前，光纤传感器已经从军事上到民用上都得到了广泛的应用。

免标记光纤传感器作为生物传感器研究的重要方向，目前使用最广泛的包括表面等离子体谐振腔生物传感器、光学谐振腔生物传感器和光子晶体生物传感器。其中表面等离子体谐振腔生物传感器需要形成表面等离子体谐振腔，其金属层的厚度要恰好能激发表面等离子体，因此厚度无法准确把控，且其探测极限很大，对低浓度的生物分子灵敏度不高；单一的光学谐振腔生物传感器的自由光谱范围以及品质因子都不高，不能满足低浓度的生物分子探测需求，虽然可以通过拓扑结构对其进行优化，但是，结构会变得复杂，增加工艺难度；光子晶体生物传感器的重复性、选择性以及抗干扰性是一个难以突破的问题，且灵敏度相对其他传感器较低。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的是提供一种拉锥侧抛光纤生物传感器，以提高传感器的抗电磁干扰和折射率的灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供了一种拉锥侧抛光纤生物传感器，所述生物传感器包括：

宽带光源、第一单模光纤、拉锥侧抛光纤、第二单模光纤和光谱仪；所述宽带光源通过所述第一单模光纤和所述拉锥侧抛光纤连接，所述拉锥侧抛光纤通过所述第二单模光纤和所述光谱仪连接；

所述宽带光源用于发射光波；

所述光谱仪用于显示依次通过所述第一单模光纤、所述拉锥侧抛光纤和所述第二单模光纤的光波对应的光谱。

可选的，所述拉锥侧抛光纤的拉锥长度l的范围为2mm-60mm，所述拉锥侧抛光纤的锥腰区域半径r的范围为0.5μm-10μm，所述拉锥侧抛光纤的拉锥深度d的范围0.5r-1.5r。

可选的，所述拉锥侧抛光纤的拉锥长度l的范围为20mm-60mm，所述拉锥侧抛光纤的锥腰区域半径r的范围为2μm-10μm，所述拉锥侧抛光纤的拉锥深度d的范围0.5r-1r。

可选的，所述拉锥侧抛光纤为非圆对称光纤。

可选的，所述第一单模光纤的输出功率公式为：

其中，p′out为所述第一单模光纤的输出功率，为x偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，为y偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，p′in为所述第一单模光纤的输入功率。

可选的，所述第二单模光纤的输出功率公式为：

其中，p″out为第二单模光纤的输出功率，px为入射光中x偏振所占光功率，py为入射光中y偏振所占光功率，为x偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，为y偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差。

本发明还提供一种用于制备拉锥侧抛光纤的方法，所述方法包括：

利用轮式光纤侧面抛磨系统对第三单模光纤进行侧抛，获得侧抛光纤；

利用拉锥机将所述侧抛光纤进行拉锥，获得拉锥侧抛光纤。

可选的，所述利用轮式光纤侧面抛磨系统对第三单模光纤进行侧抛，获得侧抛光纤，具体包括：

将第三单模光纤的一端用光纤夹具夹住，再用米勒钳将所述第三单模光纤中间剥去设定厚度的涂覆层；

用沾有酒精的擦镜纸反复擦拭剥去所述涂覆层的第三单模光纤，直至干净为止；

将擦拭干净的第三单模光纤从磨轮上边绕过，并使被剥去涂覆层的第三单模光纤与磨轮紧密接触，另一端再用光纤夹具夹住；

调整在光纤夹具下的平移台沿x轴方向移动，让被剥去涂覆层的第三单模光纤受到设定拉力后进行研磨，获得侧抛光纤。

可选的，所述利用拉锥机将侧抛光纤进行拉锥，获得拉锥侧抛光纤，具体包括：

将侧抛光纤的两端各熔接一根跳线，然后打开拉锥机的电源开关，启动所述拉锥机；

待所述拉锥机初始化完毕，进入所述拉锥机的控制软件中的参数界面，输入拉锥参数；

接着用点火器将火焰头点燃，打开真空泵，将所述侧抛光纤对准火焰头放置在真空吸附式夹具上，确认所述侧抛光纤牢牢吸附在夹具上，直到调整到听不到真空泵的吸气声为止；

将所述侧抛光纤的一端连接到所述宽带光源上，另一端连接到所述光谱仪上，按下start键，开始拉锥，通过所述光谱仪观察直至获得预设干涉谱时，则停止拉锥，将所述侧抛光纤进行封装，获得拉锥侧抛光纤。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法，所述生物传感器包括：宽带光源、第一单模光纤、拉锥侧抛光纤、第二单模光纤和光谱仪；所述宽带光源通过所述第一单模光纤和所述拉锥侧抛光纤连接，所述拉锥侧抛光纤通过所述第二单模光纤和所述光谱仪连接；所述宽带光源用于发射光波；所述光谱仪用于显示依次通过所述第一单模光纤、所述拉锥侧抛光纤和所述第二单模光纤的光波对应的光谱。本发明将光纤侧抛技术与拉锥光纤技术结合构建拉锥侧抛光纤，通过改变侧抛拉锥区域周围的折射率使得光谱发生变化，从而对折射率进行测量。另外本发明设置的所述拉锥侧抛光纤能够产生游标效应，提高传感器的抗电磁干扰和测量折射率的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例拉锥侧抛光纤生物传感器整体结构示意图；

图2为本发明实施例拉锥侧抛光纤结构示意图；

图3为本发明实施例拉锥侧抛光纤锥腰区域x-偏振和y-偏振非相干叠加原理图；

图4为本发明实施例拉锥侧抛光纤锥腰区域奇模和偶模等效折射率变化；

图5为本发明实施例投射光谱曲线图和游标效应干涉谱；

图6为本发明实施例本发明游标效应干涉谱。

图中：1、宽带光源，2、第一单模光纤，3、拉锥侧抛光纤，4、第二单模光纤，5、光谱仪，6、侧抛拉锥区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种拉锥侧抛光纤生物传感器，以提高传感器的抗电磁干扰和测量折射率的灵敏度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例拉锥侧抛光纤生物传感器整体结构示意图，图2为本发明实施例拉锥侧抛光纤结构示意图一种拉锥侧抛光纤生物传感器，所述生物传感器包括：

宽带光源1、第一单模光纤2、拉锥侧抛光纤3、第二单模光纤4和光谱仪5；所述宽带光源1通过所述第一单模光纤2和所述拉锥侧抛光纤3连接，所述拉锥侧抛光纤3通过所述第二单模光纤4和所述光谱仪5连接；

所述宽带光源1用于发射光波；

所述光谱仪5用于显示依次通过所述第一单模光纤2、所述拉锥侧抛光纤3和所述第二单模光纤4的光波对应的光谱。

作为一种实施方式，本发明所述拉锥侧抛光纤3的拉锥长度l的范围为2mm-60mm；优选所述拉锥侧抛光纤3的拉锥长度l的范围为20mm-60mm；进一步优选所述拉锥侧抛光纤3的拉锥长度l为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm和55mm中任意一种。

作为一种实施方式，本发明所述拉锥侧抛光纤3的锥腰区域半径r的范围为0.5μm-10μm，优选所述拉锥侧抛光纤3的锥腰区域半径r的范围为2μm-10μm；进一步优选所述拉锥侧抛光纤3的锥腰区域半径r的为3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm和9μm中任意一种。

作为一种实施方式，本发明所述拉锥侧抛光纤3的拉锥深度d的范围0.5r-1.5r；所述拉锥侧抛光纤3的拉锥深度d的范围0.5r-1r；进一步优选所述拉锥侧抛光纤3的拉锥深度d为0.6r、0.7r、0.8r和0.9r中任意一种。

作为一种实施方式，本发明所述拉锥侧抛光纤3为非圆对称光纤；所述拉锥侧抛光纤3是将第三单模光纤进行侧抛和拉锥处理获得的。

作为一种实施方式，本发明所述第一单模光纤2、所述第二单模光纤4和所述第三单模光纤为一体结构，且为同种单模光纤。

本发明还提供一种用于制备拉锥侧抛光纤的方法，所述方法包括：

步骤s1：利用轮式光纤侧面抛磨系统对第三单模光纤进行侧抛，获得侧抛光纤；

步骤s2：利用拉锥机将侧抛光纤进行拉锥，获得拉锥侧抛光纤。

步骤s1：利用轮式光纤侧面抛磨系统对第三单模光纤进行侧抛，获得侧抛光纤，具体包括：

步骤s11：将第三单模光纤的一端用光纤夹具夹住，再用米勒钳将所述第三单模光纤中间剥去设定厚度的涂覆层；

步骤s12：用沾有酒精的擦镜纸反复擦拭剥去所述涂覆层的第三单模光纤，直至干净为止；

步骤s13：将擦拭干净的第三单模光纤从磨轮上边绕过，并使被剥去涂覆层的第三单模光纤与磨轮紧密接触，另一端再用光纤夹具夹住；

步骤s14：调整在光纤夹具下的平移台沿x轴方向移动，让被剥去涂覆层的第三单模光纤受到设定拉力后进行研磨，获得侧抛光纤。

步骤s15：将侧抛光纤两端通过光纤适配器分别连接到光源和光功率计上，通过光功率计和光源在线监测单模光纤的透射功率。

步骤s2：利用拉锥机将侧抛光纤进行拉锥，获得拉锥侧抛光纤，具体包括：

步骤s21：将侧抛光纤的两端各熔接一根跳线，然后打开拉锥机的电源开关，启动所述拉锥机；

步骤s22：待所述拉锥机初始化完毕，进入所述拉锥机的控制软件中的参数界面，输入拉锥参数；

步骤s23：接着用点火器将火焰头点燃，打开真空泵，将侧抛光纤对准火焰头放置在真空吸附式夹具上，确认侧抛光纤牢牢吸附在夹具上，直到调整到听不到真空泵的吸气声为止；

步骤s24：将侧抛光纤的一端连接到宽带光源上，另一端连接到光谱仪上，按下start键，开始拉锥，通过光谱仪观察直至获得预设干涉谱时，则停止拉锥，将侧抛光纤进行封装，获得拉锥侧抛光纤。

本发明提出先将第三单模光纤进行侧抛，再对侧抛光纤进行拉锥，拉锥后的微纳光纤具有非圆对称性，因此可以激发双折射效应，在输出端x偏振和y偏振方向上的两种干涉的非相干叠加，产生明显的游标效应，放大由环境折射率引起的波长漂移，显著的提高了微纳光纤的传感性能。另外，由于拉锥后的所述拉锥侧抛光纤具有很强的倏逝场，倏逝场与外界环境相互作用，所述拉锥侧抛光纤中的传输光波将随外界环境折射率的变化而变化，实现对外界环境折射率的高灵敏响应。

为了更加直观地说明游标效应，我们对拉锥侧抛光纤进行了仿真。如图3所示，当输入一个非偏振光时，可以将其正交分解为x方向上的偏振光和y方向上的偏振光，x偏振方向上的奇模和偶模以及y偏振方向上的奇模和偶模在侧抛拉锥区域得以激发，这两种偏振方向上的奇模和偶模在所述拉锥侧抛光纤的锥腰区域前向传播并发生干涉，从而会在输出端得到相应的干涉光谱。由于所述拉锥侧抛光纤为非圆对称性，因此在侧抛拉锥区域产生双折射效应，在输出端得到两列干涉周期略有不同的不同偏振的干涉谱的非相干叠加，从而形成游标效应。

假设入射光中x偏振和y偏振所占光功率分别为px和py，则所述第二单模光纤的输出功率为：

其中，p″out为第二单模光纤的输出功率，px为入射光中x偏振所占光功率，py为入射光中y偏振所占光功率，为x偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，为y偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差。

同一偏振态的偶模和奇模的相位差可以表示为：

其中，为x偏振态的偶模的有效折射率，为x偏振态的奇模的有效折射率，为y偏振态的偶模的有效折射率，为y偏振态的奇模的有效折射率，λ为入射光波长，l为假设耦合区域的等效长度。

假设入射光中x偏振态和y偏振态功率相等，即：px＝py＝p′in/2，其中，p′in为所述第一单模光纤的输入功率，则所述第一单模光纤的输出功率为：

其中，p′out为所述第一单模光纤的输出功率，为x偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，为y偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，p′in为所述第一单模光纤的输入功率。

将看作连续载波信号，通过希尔伯特变换求得信号的上包络函数为：

信号的下包络的函数为：

其中,为x偏振态的偶模的有效折射率，为x偏振态的奇模的有效折射率，为y偏振态的偶模的有效折射率，为y偏振态的奇模的有效折射率，λ为入射光波长，l为假设耦合区域的等效长度。

下包络曲线中的波谷满足：

其中，为拉锥侧抛光纤偶模的双折射系数，为拉锥侧抛光纤奇模的双折射系数，n表示下包络曲线中第n个波谷，λn表示第n个波谷位置所对应的波长。

公式(12)等号两边分别针对折射率n取偏导数并整理可得到拉锥侧抛光纤折射率的灵敏度公式为：

其中，为偶模的群双折射系数，为奇模的群双折射系数。

图4为本发明实施例拉锥侧抛光纤锥腰区域奇模和偶模等效折射率变化，图中横坐标为波长，纵坐标为折射率。由图4可知，对于x-和y-偏振偶模的有效折射率略高于奇模，且所有的有效折射率向波长更长的方向变小。此外x-偏振中奇模的有效折射率明显大于y-偏振，而偶模在这两种偏振中的有效折射率非常接近，因此，可以推断奇模式主要对相位差起作用。

图5为本发明实施例投射光谱曲线图和游标效应干涉谱，如图5所示，仿真模拟的拉锥侧抛光纤的拉锥长度l＝30mm，当侧抛拉锥区域周围的折射率从1.334变化到1.3342时，光谱发生红移，此时的移动量很小，可以利用游标效应将微小的波长偏移量放大m倍，其放大倍数m可以表示为：

其中，δλc为单个波峰的移动量，δλs为游标包络移动量；

因此，游标效应可以显著地改善传感性能，实现对折射率的测量。

实验实施案例：

本发明先通过侧抛制备侧抛光纤，然后对侧抛光纤进行融熔拉锥，获得拉锥侧抛光纤，拉锥长度l＝30mm，锥腰区域半径r＝2.332μm，拉锥后侧抛光纤深度d＝2.15um，通过光谱仪测得在空气中的光谱如图6所示，其中出现了明显的游标效应。

本发明由于拉锥侧抛光纤具有侧面抛光光纤包层，从而提高包层模态的易损性、机械性能好，灵敏度高。另外由于拉锥侧抛光纤为非圆对称性，引起双折射效应，x偏振和y偏振方向上的两种干涉的非相干叠加，产生明显的游标效应，显著提高传感性能。另外本发明设计的拉锥侧抛光纤生物传感器具有折射率的灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、结构简单并且操作使用方便的优点，因此能够直接通过物体中钻孔进入被分析物中进行检测，大大提高了传感器的响应速度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。