CN101526474B - 一种棱镜spr高灵敏度光纤液体折射率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，其主要特点是激光经P光起偏器、保偏光纤准直器耦合到Y形保偏光纤耦合器中，从传感光支路保偏光纤准直器出来的光两次激励SPR，两次激励SPR后的反射光到达传感光支路光电转换器；从参考光支路光纤准直器出来的光，耦合到达参考光支路光电转换器；参考光支路光电转换器与传感光支路光电转换器将光信号转换为电信号后送入放大器及A/D转换器，转换后的数字信号送入数据处理装置进行数据处理。本发明结构简单，减少了P光的能量损耗，提高了信噪比和灵敏度，可长距离使用。

Description

一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器

技术领域

本发明属于基于SPR测量液体折射率的技术，特别是一种强度调制型棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器。

背景技术

表面等离子体波共振效应(surface plasmon wave resonance(SPR))作为一种发生在金属与电介质界面的物理光学现象，它对环境介质折射率变化非常敏感。目前，基于SPR效应的传感器结构已被广泛应用于液态物质检测技术，如生化、环保监测、药品研制和食品安全等领域，并在基因突变的检测、生物分子反应动力学测定以及工业废水废气监控等取得重大进展。基于SPR的棱镜型传感器检测分析方法有4种：

(1)角度调制法，即单色光入射，改变入射角，检测反射光的归一化强度随入射角的变化情况，并记录反射光强度最小时的入射角，也就是共振角；

(2)波长调制法，即复色光入射，固定入射角而对反射光的光谱进行分析，得到反射率随波长的变化曲线，并记录共振波长；

(3)强度调制法，即入射光的角度和波长都固定，通过检测反射光强度的变化分析折射率的变化；

(4)相位调制法，即入射光的角度和波长都固定，观测入射光与反射光的相位差。

在这4种方法中，角度调制法需要昂贵的精密角度转动装置和控制***，波长调制法需要复色光和昂贵的光谱分析装置，相位调制法需要一系列高频电路，这就使得它们的应用受到限制。强度调制法由于光源强度的波动以及光电接收器和放大电路存在着直流漂移，因此基于光强调制的方法测量样品折射率的精度会受到很大的限制，采用文献1[Zhang Zhi-wei，Wu Zhi-fang，Wen Ting-dun.Asimple model for measuring refractive index of a liquid based upon Fresnelequations.Chin.Phys.Lett，2007，24(11)：3133～3136]提出的建立模型的方法，就很容易克服这一缺点。

文献2[曾捷，梁大开，杜艳，曾振武.基于反射光强度检测的棱镜SPR传感器.光电子·激光，2007，18(2)：159～163]是一种基于克莱切曼(Kretschmann)结构的新型棱镜SPR传感方法。这种传感方法中没有采用保偏光纤准直器和保偏光纤Y形耦合器，因此没法采用文献1提出的方法提高精度；也没有采用全反射棱镜使得一束测量光两次激励SPR，从而不能进一步提高灵敏度。总之，文献2这种方法在消除背景光干扰、消除光源强度波动影响和提高测量灵敏度方面存在不足。

发明内容

本发明的目的是克服现有基于SPR的棱镜型强度调制的传感器检测分析技术的不足和所要解决的技术问题，提供一种结构紧凑，工作方便，可以长距离使用的强度调制型棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器。

一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，包括由脉冲激光器与脉冲信号发生器构成的激光发射装置、TM(或称P)光波产生和传输的装置、激励SPR装置、光波接收装置、放大与A/D转换及数据处理装置，其特征在于：所述的激励SPR装置是一束入射光两次激励SPR装置；所述的一束入射光两次激励SPR装置由等腰棱镜、金属薄膜及待测量液体介质构成的克莱切曼结构与全反射装置组成；其中：

●所述的TM光波产生和传输装置包含P光起偏器、TM光波保偏光纤准直器、Y形保偏光纤耦合器、传感光支路保偏光纤准直器与参考光支路保偏光纤准直器；

●所述的TM光波保偏光纤准直器、传感光支路保偏光纤准直器、参考光支路保偏光纤准直器与Y形保偏光纤耦合器之间通过保偏光纤连接器连接；

●所述的光波接收装置包含参考光支路光电转换器、收集光的光纤准直器与传感光支路光电转换器；

●所述的放大与A/D转换及数据处理装置包含放大器及A/D转换器和数据处理装置；

●由脉冲激光器发出的激光束经P光起偏器产生TM光波，TM光波被TM光波保偏光纤准直器耦合到Y形保偏光纤耦合器中，从Y形保偏光纤耦合器的传感光支路保偏光纤准直器出来的光，垂直克莱切曼结构中的等腰棱镜左边的工作面到达其底部，在底部的金属薄膜与待测液体介质界面上，第一次激励SPR后到达全反射装置，反射光经过全反射装置两次全反射后，再一次垂直克莱切曼结构中的等腰棱镜右边的工作面到达其底部，并在底部金属薄膜与待测液体介质界面上第二次激励SPR；两次激励SPR后的反射光，经过收集光的光纤准直器耦合到达传感光支路光电转换器；从Y形保偏光纤耦合器的参考光支路保偏光纤准直器出来的光，耦合到达参考光支路光电转换器。经参考光支路光电转换器与传感光支路光电转换器将光信号转换为电信号后，电信号送入放大器及A/D转换器，放大并进行模数转换，转换后的数字信号送入数据处理装置进行数据处理。

本发明与现有技术相比较，具有突出的实质性特点和显著的效果是：减少了TM光波的能量损耗，可消除背景光的干扰和补偿光源强度不稳定，高效利用了TM光波，从而提高了灵敏度，并可进行长距离测试。

附图说明

图1是一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器的原理示意图；

图2是一束入射光两次激励SPR装置结构示意图；

图3是四种不同浓度液体的光强反射率与入射角度的关系曲线图；

图4是全反射等腰直角棱镜与克莱切曼结构中的等腰棱镜为一体的结构示意图；

图5是全反射等腰直角棱镜与克莱切曼结构中的等腰棱镜用胶粘在一起的结构示意图；

图6是全反射等腰直角棱镜与克莱切曼结构中的等腰棱镜之间具有一定间隙的结构示意图；

图7是全反射装置为一对平面反射镜的结构示意图；

图8为数据处理装置控制和数据处理流程图。

图中：脉冲激光器1、P光起偏器2、TM光波保偏光纤准直器3、Y形保偏光纤耦合器4、传感光支路保偏光纤准直器5、参考光支路保偏光纤准直器6、参考光支路光电转换器7、脉冲信号发生器8、放大器及A/D转换器9、传感光支路光电转换器10、数据处理装置11、收集光的光纤准直器12、由等腰棱镜1301、金属薄膜1302及待测量液体介质1303构成的克莱切曼结构13和全反射装置14。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明具体实施方法。

图1所示，本发明一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，包括由脉冲激光器1与脉冲信号发生器8构成的激光发射装置、TM光波产生和传输的装置、激励SPR装置、光波接收装置、放大与A/D转换及数据处理装置，其特征在于：所述的激励SPR装置是一束入射光两次激励SPR装置；所述的一束入射光两次激励SPR装置由等腰棱镜1301、金属薄膜1302及待测量液体介质1303构成的克莱切曼结构13和全反射装置14组成；其中：

●所述的TM光波产生和传输装置包含P光起偏器2、TM光波保偏光纤准直器3、Y形保偏光纤耦合器4、传感光支路保偏光纤准直器5与参考光支路保偏光纤准直器6；

●所述的TM光波保偏光纤准直器3、传感光支路保偏光纤准直器5、参考光支路保偏光纤准直器6与Y形保偏光纤耦合器4之间，采用保偏光纤连接器连接；

●所述的光波接收装置包含参考光支路光电转换器7、收集光的光纤准直器12与传感光支路光电转换器10；

●所述的放大与A/D转换及数据处理装置包含放大器及A/D转换器9与数据处理装置11。

本发明一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器的光电信号的传输过程是：由脉冲激光器1发出的激光束经P光起偏器产生TM光波，TM光波被TM光波保偏光纤准直器3耦合到Y形保偏光纤耦合器4中，从Y形保偏光纤耦合器的传感光支路保偏光纤准直器5出来的光，垂直克莱切曼结构13的等腰棱镜左边工作面到达其底部，在底部金属薄膜与待测液体介质界面上，第一次激励SPR后到达全反射装置14，反射光经过全反射装置两次全反射后，再一次垂直克莱切曼结构13的等腰棱镜右边工作面到达其底部，并在金属薄膜与待测液体介质界面上第二次激励SPR；两次激励SPR后的反射光，经过收集光的光纤准直器12耦合到达传感光支路光电转换器10。从Y形保偏光纤耦合器4的参考光支路保偏光纤准直器6出来的光，耦合到达参考光支路光电转换器7。经参考光支路光电转换器7与传感光支路光电转换器10将光信号转换为电信号后，电信号送入放大器及A/D转换器9，放大并进行模数转换，转换后的数字信号送入数据处理装置11进行数据处理。

脉冲激光器1的脉冲信号由脉冲信号发生器8提供，脉冲信号发生器同时为数据处理装置11提供采集数据的同步信号。数据处理装置11处理数据的主要运算之一是求得参考光支路有光与无光时的电压信号差，及传感光支路有光与无光时的电压信号差的比值，即

$V_R=\frac{V_m-V_n}{V_k-V_l}$

式中，V_R是电压信号差的比值，V_m和V_k分别是传感光支路和参考光支路有光时的电压信号，V_n和V_l分别是传感光支路和参考光支路无光时的电压信号。

由于Y形保偏光纤耦合器4的分光比为1∶1，因此，经过这种运算后所得到的电压信号差的比值V_R基本上消除了参考光支路光电转换器7和传感光支路光电转换器10的温漂和脉冲激光器光源强度波动的影响，从而提高了测试***的灵敏度。

实现上述运算，主要是数据处理装置控制和数据处理流程软件完成的，其数据处理装置控制和数据处理流程图，如图8所示。所述的控制和数据处理流程为：

(1)、上电开始，测量***初始化。

(2)、判断有测量按键信号吗？否(N)，则返回继续判断有测量按键信号吗？是(Y)，检测到同步信号的高电平，启动A/D转换命令，采样，记录V_m和V_k。

(3)、判断采样结束了吗？否(N)，则返回继续检测同步信号的高电平，检测到同步信号的高电平后，启动A/D转换命令，采样，记录V_m和V_k。是(Y)，检测到同步信号的低电平，启动A/D转换命令，采样，记录V_n和V_l。

(4)、判断采样结束了吗？否(N)，则返回继续检测同步信号的低电平，检测到同步信号的低电平后，启动A/D转换命令，采样，记录V_n和V_l；是(Y)，做减法和除法运算：(V_n-V_m)/(V_l-V_k)，显示运算后电压信号差的比值V_R的结果，结束本次测试。

(5)、关机结束。

图2所示，一束入射光两次激励SPR装置结构示意图；在一束入射光两次激励SPR的结构中，假设等腰棱镜和被测液体介质的折射率分别为n₃和n₁，金属膜的复折射率为d为金属膜的厚度，λ₀为光在真空中的波长，θ₁为光在等腰棱镜和金属膜界面的入射角，θ₃为光在金属膜和被测量液体介质界面的折射角，u₂和v₂为实量，那么，光强总反射率R为

式中，

${\mathrm{\ρ}}_{12}^2=\frac{{[n_2^2(1-k_2^2)\cos {\mathrm{\θ}}_1-n_1{u}_2]}^2+{[2n_2^2{k}_2\cos {\mathrm{\θ}}_1-n_1{v}_2]}^2}{{[n_2^2(1-k_2^2)\cos {\mathrm{\θ}}_1+n_1{u}_2]}^2+{[{2n}_2^2{k}_2\cos {\mathrm{\θ}}_1+n_1{v}_2]}^2}$

${\mathrm{\ρ}}_{23}^2=\frac{{[n_2^2(1-k_2^2)\cos {\mathrm{\θ}}_3-n_3{u}_2]}^2+{[2n_2^2{k}_2\cos {\mathrm{\θ}}_3-n_3{v}_2]}^2}{{[n_2^2(1-k_2^2)\cos {\mathrm{\θ}}_3+n_3{u}_2]}^2+{[{2n}_2^2{k}_2\cos {\mathrm{\θ}}_3+n_3{v}_2]}^2}$

η＝2πd/λ₀

${\hat{n}}_2=n_2(1+i{k}_2)$

${\hat{n}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2=u_2+i{v}_2$

具体实施中，应当注意作为传感光支路保偏光纤准直器5的自聚焦透镜501，在等腰棱镜1301左边工作面的粘接位置，应当能保证两次激励SPR的位置不能发生在等腰棱镜1301底部的边缘处。等腰棱镜1301的两个底角的角度值一定是大于所测量溶液对应的最小折射率与等腰棱镜1301的折射率计算的全反射临界角的某一个角度值，计算全反射临界角时，只要测量溶液对光的吸收很小，则可不考虑金属膜，按斯涅耳(Snell)定律，用等腰棱镜1301的折射率和被测量液体介质的折射率计算即可；等腰棱镜1301的两个底角的角度值也可以是根据实际测量环境所选择的标准溶液所对应的共振角度。这样可以使得测量光垂直等腰棱镜1301的两个工作面进出，使得待测液体折射率始终处于***检测的高灵敏度阶段，使测量过程简化，具体确定方法参考图3。

图3所示，根据式(1)计算得到的四种不同浓度的液体a、b、c和d对应的SPR角度谱曲线图，四种不同浓度液体的折射率满足n_a＜n_b＜n_c＜n_d。从图3可以看出，随着待测液体a(图中点线)、b(图中实线)、c(图中虚线)和d(图中点划线)的折射率依次增大，激励SPR入射光的入射角度θ_a、θ_b、θ_c、θ_d依次从56.8°增大到59.4°。因此，若将待测液体a所对应的共振角度θ_a作为固定的入射角，那么，四种液体所对应的光强反射率依次从0.01增大到0.76，其变化量相对于共振角度的改变量更大，测量灵敏度更高。

图4所示，全反射等腰直角棱镜与克莱切曼结构中的等腰棱镜为一体的结构示意图，克莱切曼结构13的等腰棱镜1301的底部镀有金属膜1302，全反射等腰直角棱镜14与等腰棱镜1301的材料相同，并制作成一体。

图5所示，全反射等腰直角棱镜与克莱切曼结构中的等腰棱镜用胶粘在一起的结构示意图，克莱切曼结构13的等腰棱镜1301的底部镀有金属膜1302，全反射等腰直角棱镜14的斜面与等腰棱镜1301右边的工作面用胶粘在一起。

图6所示，全反射等腰直角棱镜与克莱切曼结构中的等腰棱镜之间具有一定间隙的结构示意图，克莱切曼结构13的等腰棱镜1301的底部镀有金属膜1302，全反射等腰直角棱镜14的斜面与等腰棱镜1301右边的工作面保持一定的间隙。

由实验结果可知，TM光波经过全反射等腰直角棱镜14两次全反射后的反射光仍为TM光波。因此，以上所述全反射等腰直角棱镜14与克莱切曼结构13中的等腰棱镜1301，除一体结构外，对于放置结构，在具体实施过程中，都要保证全反射等腰直角棱镜14的斜面与等腰棱镜1301右边的工作面保持平行。这样，第一次激励SPR后的反射光，对于全反射等腰直角棱镜14而言仍为TM光波，该光波经过全反射等腰直角棱镜14两次全反射后，就会垂直等腰棱镜1301右边的工作面到达其底部，并在底部的金属薄膜与待测液体介质界面上，第二次激励SPR。

图7所示，全反射装置为一对平面反射镜的结构示意图，全反射装置14还可以是一对平面反射镜1401。

由实验结果可知，TM光波经过一对平面反射镜1401两次全反射后的反射光仍为TM光波。因此，在具体实施过程中要保证一对平面反射镜1401的镜面与等腰棱镜1301右边的工作面成45°角放置。这样，第一次激励SPR后的反射光，对于一对平面反射镜1401而言仍为TM光波，该光波经过一对平面反射镜1401两次全反射后，能垂直等腰棱镜1301右边的工作面到达其底部，并在底部的金属薄膜与待测液体介质界面上，第二次激励SPR。

另外，在具体实施中还要注意与Y形保偏光纤耦合器4连接的传感光支路保偏光纤准直器5的偏振光振动方向，须与克莱切曼结构13中的等腰棱镜1301左边工作面的入射面保持平行。这样，才能提高入射光在等腰棱镜1301底部的金属薄膜1302与待测液体介质1303的界面上激励SPR的效率，从而提高测量的灵敏度。

本发明一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，通过实验得到标准液体所对应的光强反射率，采用数据处理装置对所测液体与标准液体所对应的光强反射率进行比较处理，就可得到被测液体的折射率。

本发明一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，还可实现对液体的温度、浓度、压力等参数的检测。

Claims (4)

1.一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，包括由脉冲激光器(1)与脉冲信号发生器(8)构成的激光发射装置、TM光波产生和传输的装置、激励SPR装置、光波接收装置、放大与A/D转换及数据处理装置，其特征在于：所述的激励SPR装置是一束入射光两次激励SPR装置；所述的一束入射光两次激励SPR装置由等腰棱镜(1301)、金属薄膜(1302)及待测量液体介质(1303)构成的克莱切曼结构(13)与全反射装置(14)组成；其中：

●所述的TM光波产生和传输装置包含P光起偏器(2)、TM光波保偏光纤准直器(3)、Y形保偏光纤耦合器(4)、传感光支路保偏光纤准直器(5)与参考光支路保偏光纤准直器(6)；所述的Y形保偏光纤耦合器(4)有一个光信号输入端及两个输出端，两个输出端的分光比是1∶1；

●所述的TM光波保偏光纤准直器(3)、传感光支路保偏光纤准直器(5)、参考光支路保偏光纤准直器(6)与Y形保偏光纤耦合器(4)之间，采用保偏光纤连接器连接；

●所述的光波接收装置包含参考光支路光电转换器(7)、收集光的光纤准直器(12)与传感光支路光电转换器(10)；

●所述的放大与A/D转换及数据处理装置包含放大器及A/D转换器(9)与数据处理装置(11)；

●由脉冲激光器(1)发出的激光经P光起偏器产生TM光波，TM光波被TM光波保偏光纤准直器(3)耦合到Y形保偏光纤耦合器(4)中，从Y形保偏光纤耦合器的传感光支路保偏光纤准直器(5)出来的光，垂直克莱切曼结构(13)中的等腰棱镜(1301)左边工作面到达其底部，在底部的金属薄膜与待测液体介质界面上，第一次激励SPR后到达全反射装置(14)，反射光经过全反射装置两次全反射后，再一次垂直克莱切曼结构(13)中的等腰棱镜(1301)右边工作面到达其底部，并在底部的金属薄膜与待测液体介质界面上第二次激励SPR；两次激励SPR后的反射光，经过收集光的光纤准直器(12)耦合到达传感光支路光电转换器(10)；从Y形保偏光纤耦合器的参考光支路保偏光纤准直器(6)出来的光，耦合到达参考光支路光电转换器(7)；经参考光支路光电转换器与传感光支路光电转换器将光信号转换为电信号后，电信号送入放大器及A/D转换器(9)，放大并进行模数转换，转换后的数字信号送入数据处理装置(11)进行数据处理。

所述的全反射装置(14)是全反射等腰直角棱镜14与等腰棱镜(1301)，材料相同，并制作成一体；或者所述的全反射装置(14)是一对平面反射镜(1401)。

2.根据权利要求1所述的一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，其特征在于：所述的全反射等腰直角棱镜与等腰棱镜(1301)用胶粘结在一起的。

3.根据权利要求1所述的一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，其特征在于：所述的全反射等腰直角棱镜与等腰棱镜(1301)两者之间留有间隙。

4.根据权利要求1所述的一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，其特征在于：传感光支路保偏光纤准直器(5)的自聚焦透镜(501)、收集光的光纤准直器(12)的自聚焦透镜(1201)与克莱切曼结构(13)中的等腰棱镜(1301)左边的工作面是用胶粘结在一起。

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