基于锥形光纤长周期光栅的反射式spr折射率传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR折射率传感器，其特征在于包括一个宽带光源、一个光隔离器、一个偏振控制器、一个3端口光环形器、一个基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头以及一个光谱仪；宽带光源的输出端与光隔离器相连，光隔离器的输出端与偏振控制器相连，偏振控制器的输出端与光环行器1端口相连，光环行器的2端口与基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头相连，光环行器的3端口与光谱仪输入端相连；其中基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头由锥形光纤、长周期光栅、镀金膜的传感区及全反射膜组成。本实用新型结构简单，成本低，灵敏度高，使用方便。
【专利说明】
基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR折射率传感器
技术领域
[0001]本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR折射率传感器。
【背景技术】
[0002]长周期光纤光栅(Long-Per1d Fiber Grating，LPFG)指周期为几十至几百微米能实现同向模式间耦合的光纤光栅。现在通常意义的纤芯基模耦合到同向传输的包层模的长周期光纤光栅，是由AT&T贝尔实验室的Vengsarkar等人于1996年用紫外光通过振幅掩模板照射氢载娃锗光纤首先研制而成的。表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)是指当光源发出的P型偏振复色光经过薄膜金属与介质的交界面时，若满足入射角大于全反射临界角，在表面上形成了电子浓度的梯度分布，形成等离子体振荡，形成表面等离子体波，由于表面倏逝波场与金属复折射率的存在，使满足谐振波长的光部分被吸收，其余波长的光被反射的现象。1968年，德国物理学家Otto和Kretschmann各自采用(Attenuated Total Reflect1n，简称ATR)的方法在实验中实现了光频波段的表面等离子体的激发。
[0003]1902年，Wood在光学实验中发现反常衍射现象；1968年，德国物理学家Otto和Kretschmann各自米用(Attenuated Total Reflect1n，简称ATR)的方法在实验中实现了光频波段的表面等离子体的激发。在此基础上根据不同的研究和应用领域进行了大量的改进，被广泛用于生化、医学、环境监控以及食品安全等多个领域。随着研究工作的不断深入，棱镜传感器的体积大，不适合远程遥测等缺点逐渐显露。1993年，Jorgenson等人在实验上实现了基于SPR的光纤化工传感器，相比于棱镜SPR传感器，它具有体积小、响应快、成本低、可以实现在线实时监测等优势，有着更大的研究前景和经济价值。进过二十多年的发展，光纤SPR传感器已经被广泛用作生物以及化学领域的检测，典型的光纤SPR传感器主要是基于光谱谐振角和谐振波长的检测，或者是基于SPR親合强度和相位的测量，这些检测有些结构复杂，对检测环境要求严格，有些需要复杂的数据处理过程，实用性不强，而且通常测量的灵敏度和分辨率不高。
[0004]针对上述基于光纤结构的表面等离子体共振(SPR)传感器结构复杂、灵敏度低、分辨率低、使用不便等问题，本实用新型提出一种基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR折射率传感器，结构简单，成本低，灵敏度高，使用方便，具有很强的实用价值。
【实用新型内容】
[0005]为了克服基于光纤结构的表面等离子体共振(SPR)传感器感头结构复杂、灵敏度低、分辨率低、使用不便等问题，本实用新型提出一种结构简单，成本低，灵敏度高，使用方便，具有很强的实用价值的基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR折射率传感器。
[0006]本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案:
[0007]基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR折射率传感器，包括:宽带光源、光隔离器、偏振控制器、3端口光环形器、基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头、光谱仪。
[0008]基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR折射率传感器中，宽带光源的输出端与光隔离器相连，光隔离器的输出端与偏振控制器相连，偏振控制器的输出端与光环行器I端口相连，光环行器的2端口与基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头相连，光环行器的3端口与光谱仪输入端相连;基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头由锥形光纤、长周期光栅、镀金膜的传感区及全反射膜组成;其中锥形光纤剩余包层厚度在25μπι到45μπι之间，保证包层模耦合到SPR传感区；长周期光栅中心波长根据待测样品在400nm到1250nm之间选取;金膜的厚度在30nm到50nm之间，表面粗糙度的均方根小于等于3nm;全反射膜要求对谐振波长的光的反射率在85%以上;镀金膜的传感区周围待测溶液的折射率变化，引起SPR谐振波长的漂移;光谱仪作为信号测试系统。
[0009]本实用新型的有益效果为:
[0010]本实用新型利用长周期光栅及锥形光纤构成反射式SPR传感头，提高谐振波长的转化效率，使得谐振波长对折射率的变化更敏感，提高了 SPR传感器的灵敏度和分辨率；
[0011]本实用新型的传感头为探针式传感头，这种探针式传感头可适用于复杂检测环境，并且所需待测样品量少；
[0012]本实用新型利用长周期光栅将基模耦合到包层模，并通过降低光纤包层厚度提高模式溢出率，实现折射率的高灵敏度检测；
[0013]本实用新型将镀有金膜的均匀段锥区作为SPR传感区，通过在SPR传感区金膜外镀不同种类的生物素亲和膜(如链霉亲和素)，可实现高灵敏度、高分辨率的生物物质(如蛋白质)的特异性检测；
[0014]本实用新型将镀有金膜的均匀段锥区作为SPR传感区，通过在SPR传感区金膜外镀不同种类的挥发性有机物亲和膜，可实现高灵敏度、高分辨率的挥发性有机物的特异性检测；
[0015]本实用新型利用光谱仪作为信号解调系统，可实现折射率实时的在线检测。
【附图说明】
[0016]图1为本新型基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR折射率传感器传感方法及装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对实用新型进一步描述。
[0018]如图1所示，基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR折射率传感器，包括:宽带光源
1、光隔离器2、偏振控制器3、3端口光环形器4、基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头5、光谱仪6;宽带光源I的输出端与光隔离器2相连，光隔离器2的输出端与偏振控制器3相连，偏振控制器3的输出端与光环行器4的1_1端口相连，光环行器4的1_2端口与基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头5相连，光环行器4的1_3端口与光谱仪6的输入端相连;P偏振光由宽带光源1、光隔离器2以及偏振控制器3结构产生;基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头5周围待测溶液的折射率变化，引起SPR谐振波长的漂移;光谱仪6作为信号测试系统;基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头5包括锥形光纤7、长周期光栅8、镀金膜的传感区9及全反射膜10;其中锥形光纤7剩余包层厚度在25μπι到45μπι之间，保证包层模耦合到SPR传感区；长周期光栅8中心波长根据待测样品在400nm到1250nm之间选取;镀金膜的传感区9作为等离子产生区和SPR传感区，金膜的厚度在30nm到50nm之间，表面粗糙度的均方根小于等于3nm;全反射膜10要求对谐振波长的光的反射率在85%以上。
[0019]本实用新型的工作方式为:宽带光源I产生信号光，由传输光纤输入到光隔离器2，光隔离器2输出的光信号通过偏振控制器3变成P偏振光，P偏振光从光环行器4的1_1端口输入，从光环行器4的1_2端口输出，从光环行器4的1_2端口输出的光信号经传输光纤进入基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头5，输入光经长周期光栅8耦合后，进入镀金膜的传感区9，由于锥形光纤7包层的厚度减少，并且长周期光栅8将基膜耦合到包层模，纤芯和包层的一些模式以倏逝波的形式耦合光纤包层与金膜的交界面产生表面等离子体共振效应，产生表面等离子体共振效应的光波以表面等离子波的形式存在，剩余的光波继续传播，经全反射膜10反射后，再次经过镀金膜的传感区9发生SPR效应，经过两次谐振，将产生更多的等离子体形成表面等离子体波，提高SPR的耦合效率，增强谐振波长对外部折射率变化的灵敏度，从而提高光纤SPR传感器的灵敏度和分辨率;反射谱经由光环行器4的1_3端口输出被光谱仪6接收，当被测物理量的折射率发生变化时，SPR谐振波长的产生漂移，通过检测波长的漂移量，结合SPR传感器的特性，实现折射率的高灵敏度测量。
[0020]该装置能够实现基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR折射率传感器测量的关键技术有:
[0021]1、基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头是实现高灵敏度测量的基础。
[0022]2、长周期光栅的光栅周期决定其耦合模式的中心波长，通过合理选择光栅周期，使中心波长位于SPR的共振波长附近，提高其敏感度。
[0023]3、锥形光纤剩余包层的厚度。随着包层厚度的减小，会使得越来越多的纤芯模耦合到空气间隙，但要是包层太薄，会导致出现模式不匹配，使得纤芯模完全泄露，损耗太大；太厚导致耦合到金膜包层交界面的模式太少，SPR耦合效率降低，因此剩余包层的厚度应控制在25μπι到45μπι之间。
[0024]4、刻有长周期光纤光栅区域的金膜的厚度和粗糙度。金膜厚度会影响SPR的谐振波长谐振峰的尖锐程度和消光比，金膜表面的粗糙程度会影响表面等离子体的损失，进而影响SPR的性能，因此，金膜的厚度应严格控制30nm?50nm之间，金膜表面的粗糙度的均方根应小于等于3nm。
[0025]5、根据表面等离子体共振理论可知，只有P偏振光才能激发表面等离子体波(SPW)，因此利用偏振控制器保证输入的锥形光纤的信号光为完全P偏振光;光源的稳定性也是SPR传感器误差的重要来源，应保证光源工作的稳定性。
[0026]本实用新型的一个具体实施例中，Thorlabs的稳定卤钨灯，型号SLS201(/M)输出波长300到2600nm之间；光隔离器型号为10-2D-633-VLPa，工作波长为560-663nm，隔离度在35-40dB之间；偏振控制器型号为PLC-900; 3端口光环行器为四川致远科技生产，隔离度在40-50dB之间；锥形光纤纤芯直径为9μπι，剩余包层的厚度为30μπι，轴向长度为Icm;长周期光纤光栅光栅周期0.257111111，中心波长为66011111;金膜厚度为4511111，表面粗糙度均方根为2.311111;折射率测量范围为1.3?1.4。
[0027]以上所述及图中所示的仅是本实用新型的优选实施方式。本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR折射率传感器，包括:宽带光源、光隔离器、偏振控制器、3端口光环形器、基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头、光谱仪； 本实用新型中，宽带光源的输出端与光隔离器相连，光隔离器的输出端与偏振控制器相连，偏振控制器的输出端与光环行器I端口相连，光环行器的2端口与基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头相连，光环行器的3端口与光谱仪输入端相连； 基于锥形光纤长周期光栅的反射式SPR传感头由锥形光纤、长周期光栅、镀金膜的传感区及全反射膜组成;其中锥形光纤剩余包层厚度在25μπι到45μπι之间，保证包层模耦合到SPR传感区；长周期光栅中心波长根据待测样品在400nm到1250nm之间选取;金膜的厚度在30nm到50nm之间，表面粗糙度的均方根小于等于3nm;全反射膜要求对谐振波长的光的反射率在.85 %以上;镀金膜的传感区周围待测溶液的折射率变化，弓I起SPR谐振波长的漂移;光谱仪作为信号测试系统。
【文档编号】G01N21/41GK205656127SQ201620332936
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年4月13日 公开号201620332936.9, CN 201620332936, CN 205656127 U, CN 205656127U, CN-U-205656127, CN201620332936, CN201620332936.9, CN205656127 U, CN205656127U
【发明人】丁哲文, 赵春柳
【申请人】中国计量大学