CN105651738A - 一种螺旋芯光纤spr传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤SPR传感技术领域，具体涉及的是一种可以广泛应用于生物传感、化学分析、药品研发、食品安全、环境监测、医学诊断等领域的螺旋芯光纤SPR传感器。一种螺旋芯光纤SPR传感器，由输入光纤1、输入光纤的纤芯2、光纤焊接面、螺旋光纤芯4、光纤D型剖面5、金纳米膜6、输出光纤8、输出光纤的纤芯9组成。种螺旋芯光纤的优势在于将纤芯的弯曲结构置于光纤内部。用螺旋的等效曲率半径代替光纤的弯曲半径，可以实现弯曲光纤所不能实现的小弯曲半径，通过合理的设置几何和物理参数，可以提供一个有效的单模输出，提高了SPR测量的分辨率和稳定性。

Description

一种螺旋芯光纤SPR传感器

技术领域

本发明属于光纤SPR传感技术领域，具体涉及的是一种可以广泛应用于生物传感、化学分析、药品研发、食品安全、环境监测、医学诊断等领域的螺旋芯光纤SPR传感器。

背景技术

信息获取与处理已经成为现代信息技术领域的核心，对社会发展、科技进步起着重要的作用。传感器作为信息获取与处理***中最核心的部件，直接面向被测量的对象，将被测对象参数转换为信号，是现代信息技术的重要基础，在现代社会发展中有着广泛的应用。表面等离子体共振技术(SurfacePlasmonResonance,SPR)以其对外界介质折射率细微变化极其敏感的特性，近年来在传感领域的应用日趋广泛，并得到了飞速的发展。光纤SPR传感技术将SPR技术和光纤传感技术有效的结合起来，实现光纤表面等离子体共振传感测量。光纤SPR传感器具有传统传感器件无法比拟的优势，可以用于非常狭小空间的测量。以往的SPR传感器采用棱镜作为光学耦合器件，由于棱镜体积大，对装置设置要求高，因此限制了它的应用，而使用光纤作为耦合器件，不但可以用于狭小空间实现测量，而且性能稳定，不易受外界因素的影响。此外，光纤SPR传感器具备了光纤可以远距离传输和实时性好的特点，因此光纤SPR传感器可实现远距离实时在线检测的功能。光纤SPR传感器还可以有效的与其他光学器件进行集成，具有良好的稳定性和灵活性。

表面等离子体共振是一种物理光学现象，表面等离子体波是沿着金属和电介质间界面传播的电磁波，当特定波长偏振光以某一特定的角度入射到分界面而发生全反射时，入射光被耦合为表面等离子体波而被衰减，引起界面全反射的光能量呈指数衰减，发生表面等离子体共振。发生共振时的入射角称为共振角。在实际的应用中，为了获取共振角，通常对直波导光纤进行一系列复杂的操作工艺，以求获取共振角。文献(AnalyticalChemistry,0003-2700，1994，66卷，7期，963页)中介绍了一种制作方法，首先将光纤涂覆层去除，然后将光纤黏贴到一个弯曲的铝抛光片上，在抛光的过程中需要用氦氖激光束监测，当抛磨到通过光线的激光强度开始下降时，停止抛磨，此种方法工艺复杂，而且制备精度较低。文献(SensorsandActuatorsB51(1998)311–315)和文献(SensorsandActuatorsB29(1995)401-405)中介绍的SPR传感器虽然获得了较好的传感特性，但是为了获得共振的条件，都是通过弯曲光纤以获得共振角，由于光纤材料特性，光纤很容易被折断，稳定性和一致性较差。

随着SPR传感器应用领域的日益广泛，其在很多领域广阔的应用前景得到了研究者的认同，越来越多的学者被SPR传感器的应用前景和潜力所吸引，投入到SPR传感器研究当中。

申请号为201510400263.6的发明专利中介绍了一种分布式表面等离子体共振光纤传感器，在双芯光纤上加工有成对满足一定错位长度分布的V型槽，在V型槽斜面上镀有传感层，此种结构的光纤SPR传感器虽然能够很好地与全光纤***进行低损耗链接，但是由于制备工艺要求较高、难以实现批量制备。申请号为201410610073.2的专利介绍了一种基于周期性金属结构的光纤局域表面等离子共振传感器，在光纤纤芯的传感区的外周面上设置有纳米尺度的周期性金属纳米螺旋状结构，以激发局域表面等离子体共振效应。申请号为200910073960.X专利提出一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，采用棱镜作为耦合器件，体积大，限制了其应用范围。申请号为201210067372.的专利中介绍一种石墨烯薄膜增敏的D型光纤SPR传感器及其制备方法，在银膜层表面沉积石墨烯薄膜层来增加该SPR传感器的灵敏度。该方法具有一定的新颖性，具有灵敏度高和响应快的优点，但是在传感器结构上没有新的改进，达到等离子体共振条件比较困难。

本发明针对以上在先技术存在的优点和不足。提出一种螺旋芯光纤SPR传感器。纤芯的螺旋弯曲结构是建构在光纤的内部，通过合理的设置螺距和曲率等几何参数，不仅可以有效的将高阶模式去除，实现单模传输，从而实现高分辨率、高稳定性SPR的测量，而且通过对获得各种角度的SPR共振角，从而满足不同的测量需求。本发明在保留了全光纤SPR传感器体积小、不易受外界环境影响的同时，还具有制作简单、实用性强等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高分辨率、稳定性强、结构简单，可实现不同角度SPR共振角等特点的螺旋芯光纤SPR传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种螺旋芯光纤SPR传感器，由输入光纤1、输入光纤的纤芯2、光纤焊接面、螺旋光纤芯4、光纤D型剖面5、金纳米膜6、输出光纤8、输出光纤的纤芯9组成；所述螺旋芯光纤SPR传感器，是由两端各自焊接一段标准单模光纤，中间焊接一段螺旋芯光纤的三明治结构组成；螺旋芯光纤是借助于热融旋转技术制备而成的；通过采用光纤侧抛方法，使得该螺旋芯光纤部分光纤芯裸露，最后，采用溅射法在该抛光面制备适当厚度的金纳米膜；就构成了该新型螺旋芯光纤SPR传感器。

本发明中金属膜采用金或金属银来制备；膜的厚度为50nm。

所述螺旋芯光纤SPR传感器两端与标准单模光纤进行连接或制作成标准光纤器件，***光纤测量***中。

本发明的有益效果在于：

本发明采用螺旋芯光纤结构制作光纤SPR传感器，这种螺旋芯光纤的优势在于将纤芯的弯曲结构置于光纤内部。用螺旋的等效曲率半径代替光纤的弯曲半径，可以实现弯曲光纤所不能实现的小弯曲半径，通过合理的设置几何和物理参数，可以提供一个有效的单模输出，提高了SPR测量的分辨率和稳定性，此外，采用螺旋芯光纤另外一个优势在于，更容易找到SPR共振角，通过调整螺旋光纤的螺距，可以得到各种角度的SPR共振角，进而满足不同的测量需求。本发明在保留了全光纤SPR传感器体积小、不易受外界环境影响的同时还具有制作简单、一致性好、适于批量规模化制作的优点。

附图说明

图1是螺旋芯光纤SPR传感器示意图。

图2是螺旋芯光纤结构示意图。

图3是一个周期的螺旋芯光纤直角坐标系中的平面示意图。

图4单周期螺旋芯光纤SPR直角坐标结构示意图。

图5一段螺旋芯在螺旋坐标中分析示意图。

图6是螺旋芯光纤SPR反射功率谱曲线图。

具体实施方式

下面结合具体的附图来进一步阐述本发明。

本发明提供的是一种螺旋芯光纤SPR传感器。其特征是：它由输入光纤1、输入光纤的纤芯2、光纤焊接面3和7、螺旋光纤芯4、光纤D型剖面5、金纳米膜6、输出光纤8、输出光纤的纤芯9组成。本发明采用偏心光纤，借助于热融旋转技术制备螺旋芯光纤，采用光纤侧面抛方法使得偏心螺旋光纤芯裸露；采用溅射法制备纳米金膜，两端采用与标准单模光纤对准焊接的连接方法，即制备成了螺旋芯光纤SPR传感器，本发明是一种高灵敏度全光纤型的SPR传感器。本发明所提出的这种螺旋芯光纤，纤芯的螺旋式弯曲形状构建在光纤的内部，通过合理的设置螺距和曲率等几何参数和物理参数，可以有效的将高阶模式去除，实现单模传输，从而获得SPR传感的高分辨率和测量的稳定性。而且通过调整螺旋芯光纤的几何参数可以得到各种角度的SPR共振角，进而满足不同的测量需求。本发明在保留了全光纤SPR传感器体积小、不易受外界环境影响的同时还具制作简单、适合于批量规模化生产的特点。该光纤SPR传感器使用方便、可以广泛应用于生物传感、化学分析、药品研发、食品安全、环境监测、医学诊断等领域。通过对螺旋芯光纤纤芯的直径、螺旋芯的螺距和螺旋曲率这些几何参数进行合理的设置，可以将高阶模式有效的滤除，实现单模传输。光纤中的螺旋芯，呈现缓变趋势，传感区域根据SPR共振条件的需要，由SPR共振角的大小，确定金纳米膜切向平面与纤芯交界最佳共振角度θ。采用光纤侧抛方法使光纤芯裸露，不失本发明的精神，在对应的螺旋芯部分也可以采用蚀刻或紫外激光微加工的方法挖沟槽方法使光纤纤芯裸露，以便于与外面镀制的金纳米膜构成SPR共振条件。

一种螺旋芯光纤SPR传感器它由输入光纤1、输入光纤的纤芯2、光纤焊接面3和7、螺旋光纤芯4、光纤D型剖面5、金纳米膜6、输出光纤8、输出光纤纤芯9组成。所述螺旋芯光纤SPR传感器，是由两端各自焊接一段标准单模光纤，中间焊接一段螺旋芯光纤的三明治结构组成。螺旋芯光纤是借助于热融旋转技术制备而成的。通过采用光纤侧抛方法，使得该螺旋芯光纤部分光纤芯裸露，最后，采用溅射法在该抛光面制备适当厚度的金纳米膜。就构成了该新型螺旋芯光纤SPR传感器。如图1由输入光纤1、输入光纤的纤芯2、光纤焊接面3和7、螺旋光纤芯4、光纤D型剖面5、金纳米膜6、输出光纤8、输出光纤纤芯9组成。

该螺旋芯光纤SPR传感器，是通过对螺旋芯光纤纤芯的直径、螺旋芯的螺距和螺旋曲率这些几何参数进行合理的设置，可以将高阶模式有效的滤除，实现单模传输。首先，采用偏心光纤进行制备，借助于热融旋转技术制备螺旋芯光纤；其次，采用光纤侧抛方法使光纤芯裸露；然后，采用溅射法制备纳米金膜。

该螺旋芯光纤SPR传感器在构建的过程中，光纤中的螺旋芯呈现缓变趋势，传感区域根据SPR共振条件的需要，由SPR共振角的大小，来确定金纳米膜切向平面与纤芯交界最佳共振角度θ。

该螺旋芯光纤SPR传感器的传感区是采用光纤侧抛方法使光纤芯裸露，不失本发明的精神，在对应的螺旋芯部分也可以采用蚀刻或紫外激光微加工的方法挖沟槽方法使光纤纤芯裸露，以便于与外面镀制的金纳米膜构成SPR共振条件。

该螺旋芯光纤SPR传感器中的金属膜，既可以采用金，也可以采用金属银来制备。当采用金制备纳米膜时，具有灵敏度高、响应速度快、稳定性好等优点。例如：金膜的厚度可选为50nm。

该螺旋芯光纤SPR传感器的两端可以与标准单模光纤进行连接，一方面可以制作成标准光纤器件，***光纤测量***中。另一方面，也可以实现远距离传输，构成远程SPR光纤传感***。

图1给出了螺旋芯光纤SPR传感器结构示意图。螺旋芯光纤SPR传感器是由输入光纤1、输入光纤的纤芯2、光纤焊接面3和7、螺旋光纤芯4、光纤D型剖面5、金纳米膜6、输出光纤8、输出光纤纤芯9组成。

螺旋芯光纤SPR传感器，首先，采用偏心光纤进行制备，借助于热融旋转技术制备螺旋芯光纤；其次，采用光纤侧抛方法使光纤芯裸露；然后，采用溅射法制备纳米金膜。

为了更好的理解本螺旋芯光纤SPR传感器是如何实现的，下面给出详细的数学描述：

图2给出了螺旋芯光纤结构示意图，其中P为螺旋芯光纤纤芯螺距，Q为纤芯距离中心轴的偏移量,R_B为等效曲率半径，如图5中所示。

螺旋芯光纤是利用螺旋的等效曲率半径代替光纤的弯曲，从而产生适当的SPR共振角。等效曲率半径和共振角θ可以利用下式进行表示：

$R_B=\frac{Q}{{\sin }^2\mathrm{\θ}}\≈\frac{Q}{{\tan }^2\mathrm{\θ}}=\frac{P^2}{4{\mathrm{\π}}^{2}Q}---\left(1\right)$

其中θ为金纳米膜切面与光纤芯切点处的传输方向之间的夹角。

本发明采用的螺旋芯光纤会具有一定的辐射损耗，可以借助于3D-标量光束传播法来分析螺旋芯光纤的模式损耗特性。通过软件进行建模仿真，详细研究集合参数和物理参数对螺旋芯光纤模式损耗的影响，以获取基模传输特性。图3为一个周期的螺旋芯在XOY、XOZ、YOZ面上的投影。再根据Marcuse模型光纤中基模弯曲损耗公式以及K.S.Kaufman模型的高阶模损耗公式(2)和(3)来优化光纤的几何参数。

$\mathrm{\α}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}\mathrm{\γ}R}}\frac{{\mathrm{ak}}^2}{V^2}{e}^{2\mathrm{\γ}a}\exp \[-\frac{2{\mathrm{\γ}}^3}{3{\mathrm{\β}}^2}R\]---\left(2\right)$

$2\mathrm{\α}=\frac{k^2{I}_b}{2{\mathrm{\πV}}^2{\mathrm{nk}}_{0}R\left|H_{\mathrm{\μ}}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\ξ}\right)\right|K_{v-1}\left(\mathrm{\γ}a\right)K_{v+1}\left(\mathrm{\γ}a\right)}---\left(3\right)$

根据表面等离子体共振条件，即纤芯中的波矢在X方向的分量与表面等离子体波矢相等时，发生能量耦合，产生表面等离子激元共振。由菲涅耳公式可以推导出整个光纤SPR传感器的反射率，进而得到SPR的功率谱曲线，实现待测介质的测量。

Claims (3)

1.一种螺旋芯光纤SPR传感器，由输入光纤(1)、输入光纤的纤芯(2)、光纤焊接面、螺旋光纤芯(4)、光纤D型剖面(5)、金纳米膜(6)、输出光纤(8)、输出光纤的纤芯(9)组成；其特征在于：所述螺旋芯光纤SPR传感器，是由两端各自焊接一段标准单模光纤，中间焊接一段螺旋芯光纤的三明治结构组成；螺旋芯光纤是借助于热融旋转技术制备而成的；通过采用光纤侧抛方法，使得该螺旋芯光纤部分光纤芯裸露，最后，采用溅射法在该抛光面制备适当厚度的金纳米膜；就构成了该新型螺旋芯光纤SPR传感器。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋芯光纤SPR传感器，其特征在于：本发明中金属膜采用金或金属银来制备；膜的厚度为50nm。

3.根据权利要求1所述的一种螺旋芯光纤SPR传感器，其特征在于：所述螺旋芯光纤SPR传感器两端与标准单模光纤进行连接或制作成标准光纤器件，***光纤测量***中。