CN110308115A - 一种干涉型光纤spr传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光纤传感器技术领域，提供了一种干涉型光纤SPR传感器，包括第一单模光纤、第二单模光纤和无芯光纤；无芯光纤固定在第一单模光纤和第二单模光纤之间；无芯光纤包括无芯光纤主体和覆盖部分无芯光纤主体的表面金属镀膜，无芯光纤主体和表面金属镀膜构成表面等离子共振结构体；干涉型光纤SPR传感器测量时，外部入射光波由第一单模光纤或第二单模光纤输入；入射光波传播至第一单模光纤与无芯光纤的接触面时或传播至第二单模光纤与无芯光纤的接触面时，无芯光纤中发生多模干涉、无芯光纤的表面发生等离子共振。通过本发明基于单一传感器，实现了基于SPR传感的测量和基于干涉传感的测量，还实现了多参数的同步测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种干涉型光纤SPR传感器。
背景技术
干涉型光纤传感器已经广泛运用于能源，交通，航空等工业领域。基于不同干涉结构的划分，可以将干涉传感器结构划分为迈克尔逊，马赫曾德，塞格纳克等。此外，基于多模光纤的模式间干涉型光纤传感器也已经成型，在其结构中，通常包括一根熔接于两根单模光纤之间的多模光纤，当宽谱光信号从单模光纤端入射至多模光纤时，由于模式耦合效应激发产生高阶模式光波导，进而引发纤芯模与消逝模产生干涉，通过分析此传感器输出的干涉光谱的漂移，可以实现对不同参数的传感，如温度，应变，负载，折射率等。
但是，传统干涉型光纤传感器的折射率传感灵敏度较低，一般不超过300nm/RIU，从而限制了其在高灵敏度折射率监测领域的应用。那么，在高灵敏度折射率监测领域，如生化检测，将选择SPR(Surface Plasmon Resonance,表面等离子体共振)传感器，其折射率检测灵敏度通常为几千nm/RIU，可见SPR传感器的灵敏度远胜于传统的干涉型光纤传感器。
SPR传感器是一种光纤传感器，其主要通过表面等离子共振吸收谱的波长峰值漂移实现对不同液体折射率监测，然而，在同一时刻、同一光纤SPR传感器中，仅能实现单一液体折射率检测，无法完成多个参数的同步测量，仍然极大地限制了在传感技术领域的应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种干涉型光纤SPR传感器，以解决现有技术中干涉型光纤传感器敏感度低，无法应用在高灵敏度折射率监测领域，而应用于高灵敏度折射率监测领域的光纤SPR传感器仅能实现单一参数检测，使得检测效率低，且限制其应用领域的问题。
为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种干涉型光纤SPR传感器，包括第一单模光纤、第二单模光纤和无芯光纤；
所述无芯光纤固定在所述第一单模光纤和所述第二单模光纤之间；
所述无芯光纤包括无芯光纤主体和覆盖部分所述无芯光纤主体的表面金属镀膜，所述无芯光纤主体和所述表面金属镀膜构成表面等离子共振结构体；
所述干涉型光纤SPR传感器测量时，外部入射光波由所述第一单模光纤或所述第二单模光纤输入；
所述入射光波传播至所述第一单模光纤与所述无芯光纤的接触面时或传播至所述第二单模光纤与所述无芯光纤的接触面时，所述无芯光纤中发生多模干涉、所述无芯光纤覆盖有金属膜的表面发生等离子共振。
可选地，干涉型光纤SPR传感器还包括光谱仪；
外部入射光波由所述第一单模光纤输入时，所述第二单模光纤未与所述无芯光纤接触的一端与光谱仪连接；
外部入射光波由所述第二单模光纤输入时，所述第一单模光纤未与所述无芯光纤接触的一端与光谱仪连接；
所述光谱仪，用于根据可见光区域的光谱，分析所述表面等离子共振结构体的吸收谱中，波长峰值的漂移值；
所述光谱仪，还用于根据近红外区域的光谱，分析所述无芯光纤中发生多模干涉时，所输出的干涉光谱的波长峰值的漂移值。
可选地，所述第一单模光纤和所述第二单模光纤均包括光纤包层和置于所述光纤包层中间的光纤纤芯；
所述无芯光纤中心与所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的光纤纤芯中心对齐。
可选地，所述表面金属镀膜包括预设厚度的金金属膜。
可选地，所述金金属膜通过磁控溅射镀膜机镀在无芯光纤主体上。
可选地，所述无芯光纤主体包括二氧化硅材料。
本发明实施例提出一种干涉型光纤SPR传感器，包括第一单模光纤、第二单模光纤和无芯光纤，将无芯光纤固定在第一单模光纤和第二单模光纤中间，由宽谱光源从其中一个单模光纤的一端输入时入射光波，当入射光波导传播到达单模光纤与无芯光纤接触面时，通过光波导模式耦合效应激发产生不同类型高阶模式光波导，进而使无芯光纤中产生多模干涉，实现传统干涉型光纤传感器的功能；而无芯光纤的表面金属镀膜与无芯光纤主体构成表面等离子共振结构体，因此，入射光波导传播到达单模光纤与无芯光纤接触面时，表面等离子共振吸收谱的波长峰值产生漂移，从而实现SPR传感器的设计。因此，本发明实施例基于单一传感器，实现基于了SPR传感的测量和基于干涉传感的测量，还实现了多参数的同步测量，与干涉型光纤传感器结构相比，具有更高的干涉灵敏度，而与传统的单一光纤SPR传感器相比，又可同时实现干涉测量。此外，由于SPR传感以及干涉传感采用了不同透射光谱波段及不同的传感原理，测量过程相互不受影响，极大优化了传感器性能，使其在生物，化学，物理检测传感领域均有潜在应用潜力。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的干涉型光纤SPR传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的实验装置的组成结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的光源光谱与干涉型光纤SPR传感器输出光谱的对比图；
图4为本发明实施例二提供的使用不同大小折射率的溶液进行实验得到的干涉型光纤SPR传感器输出光谱图；
图5为本发明实施例二提供的数学平滑处理后的干涉型光纤SPR传感器输出光谱图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
在本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，"模块"与"部件"可以混合地使用。
在后续的描述中，发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供一种干涉型光纤SPR传感器100(图中未标出)，包括第一单模光纤10、第二单模光纤20和无芯光纤30(图中未标出)。
在本发明实施例中，干涉型光纤SPR传感器100各部位连接关系如下：
无芯光纤30固定在第一单模光纤10和第二单模光纤20之间，则无芯光纤30两端的截面与第一单模光纤10和第二单模光纤20的一个截面紧密贴合。
其中，无芯光纤30包括无芯光纤主体31和覆盖部分无芯光纤主体31的表面金属镀膜32，无芯光纤主体31和表面金属镀膜32构成表面等离子共振结构体。
在具体应用中，第一单模光纤和第二单模光纤均包括光纤包层和置于光纤包层中间的光纤纤芯。其中，无芯光纤中心与第一单模光纤和第二单模光纤的光纤纤芯中心对齐，使得测量时，外部入射光波在干涉型光纤SPR传感器中的直线传播，避免其他折射。
在本发明实施例中，第一单模光纤10未与无芯光纤30接触的一端可以为干涉型光纤SPR传感器100的输入端，第二单模光纤20与无芯光纤30接触的一端也可以为干涉型光纤SPR传感器的输入端。那么，干涉型光纤SPR传感器100测量时，外部入射光波由第一单模光纤10或第二单模光纤20输入；入射光波传播至第一单模光纤10与无芯光纤30的接触面时或传播至第二单模光纤20与无芯光纤30的接触面时，无芯光纤30中发生多模干涉、无芯光纤30的表面发生等离子共振。
其中，无芯光纤30中发生的多模干涉的原理为：当宽谱光信号从单模光纤端入射至无芯光纤时，由于模式耦合效应激发产生高阶模式光波导，进而引发无芯光纤的纤芯模与消逝模产生干涉。
在具体应用中，表面金属镀膜仅覆盖部分的无芯光纤主体，而没有覆盖无芯光纤主体的全部外表面，可以减少宽谱光信号从单模光纤端入射至无芯光纤时，金属膜对光信号的吸收而产生的消耗，从而避免减弱上述的多模干涉效果。
在本发明实施例中，不对表面金属镀膜在无芯光纤主体上的覆盖面积进行限定，图1中示例性地示出了表面金属镀膜覆盖部分无芯光纤主体的效果。
在本发明实施例中，外部入射光波为宽谱光信号发射器、或宽谱光信号源发射的光束。
在实际应用中，多模光纤为纤芯/包层结构，其中纤芯与包层掺杂少量不同微量元素分别构成不同材料。本发明实施例中采用了无芯光纤代替了多模光纤，可视为将纤芯与包层合二为一。与传统的干涉型光纤传感器相比，本发明实施例提供的干涉型光纤SPR传感器采用无芯光纤作为干涉载体，在模式耦合过程产生的高阶模中消逝模比例更大，功率更高，从而提高了干涉灵敏度。
其中，无芯光纤30的表面发生等离子共振的原理为：无芯光纤主体和表面金属镀膜构成表面等离子共振结构体，当宽谱光信号从单模光纤端入射至无芯光纤时，出射光会引起金属镀膜表面折射率变化。
在本发明实施例中，表面金属镀膜32包括预设厚度的金金属膜；
金金属膜通过磁控溅射镀膜机镀在无芯光纤主体31上。
而无芯光纤主体31包括二氧化硅材料。
在具体应用中，由高纯度的二氧化硅单质构成无芯光纤主体，容量大,抗干扰能力强，有利于提高干涉灵敏度。
在一个实施例中，干涉型光纤SPR传感器100还包括光谱仪，在干涉型光纤SPR传感器测量时，输出测量结果，如谱线强度等数据。
其中，外部入射光波由所述第一单模光纤输入时，所述第二单模光纤未与所述无芯光纤接触的一端与光谱仪连接；外部入射光波由所述第二单模光纤输入时，所述第一单模光纤未与所述无芯光纤接触的一端与光谱仪连接；
所述光谱仪，用于根据可见光区域的光谱，分析所述表面等离子共振结构体的吸收谱中，波长峰值的漂移值；所述光谱仪，还用于根据近红外区域的光谱，分析所述无芯光纤中发生多模干涉时，所输出的干涉光谱的波长峰值的漂移值。
在本发明实施例中，上述对光谱的分析结果对应了物理量的测量，如温度，应变，负载，折射率等。
本发明实施例提供一种干涉型光纤SPR传感器，包括第一单模光纤、第二单模光纤和无芯光纤，将无芯光纤固定在第一单模光纤和第二单模光纤中间，由宽谱光源从其中一个单模光纤的一端输入入射光波，当入射光波导传播到达单模光纤与无芯光纤接触面时，通过光波导模式耦合效应激发产生不同类型高阶模式光波导，进而使无芯光纤中产生多模干涉，实现传统干涉型光纤传感器的功能；而无芯光纤的表面金属镀膜与无芯光纤主体构成表面等离子共振结构体，因此，入射光波导传播到达单模光纤与无芯光纤接触面时，表面等离子共振吸收谱的波长峰值产生漂移，从而实现SPR传感器的设计。因此，本发明实施例基于单一传感器，实现了基于SPR传感的测量和基于干涉传感的测量，还实现了多参数的同步测量，与干涉型光纤传感器结构相比，具有更高的干涉灵敏度，而与传统的单一光纤SPR传感器相比，又可同时实现干涉测量。此外，由于SPR传感以及干涉传感采用了不同透射光谱波段及不同的传感原理，测量过程相互不受影响，极大优化了传感器性能，使其在生物，化学，物理检测传感领域均有潜在应用潜力。
实施例二
如图2所示，本发明实施例还提供了基于干涉型光纤SPR传感器的实验装置200(图中未标出)，以验证实施例一所提出的干涉型光纤SPR传感器100的性能。
如图2所示，实验装置200中，将宽谱光信号源40作为外部入射光波的光源，放置在干涉型光纤SPR传感器100的一端，将光谱仪50放置在干涉型光纤SPR传感器100的另一端，光谱仪50还将处理后的数据输出至终端60上进行显示；实验的过程中，干涉型光纤SPR传感器100将放置在具有两个出入端口的小型玻璃管70中，不同折射率的溶液分别从玻璃管的一个端口输入，待测试完毕后，将玻璃管中的溶液从另外一端排出。
如图3所示，本发明实施例示出了光源光谱与干涉型光纤SPR传感器输出光谱的对比图，其中，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示光功率，单位为dBm，黑色实线为光源的光谱图，黑色虚线为光源经过传感器后的宽谱图。由于光谱仪可观测的光谱最大范围为1000nm，因本发明实施例中，光谱仪扫描波长范围选择600～1600nm。
为了便于观察，图3中还将光谱划分为可见光区域A及近红外区域B；
根据图3对比观察两条谱线可知，由于可见光区域A的光谱波长相对较小，除了光功率的浮动外，此区域光谱并未有明显干涉条纹，因而可见光区域A的光谱主要用于检测基于表面等离子体共振机制的液体折射率变化。
根据图3右侧的近红外区域B光谱可知，光源经过干涉型光纤SPR传感器后，光谱发生明显的干涉条纹，此即表明在此区域段，由于光波长的增大，干涉效应变得愈发明显，因而近红外区域B的光谱主要用于检测基于无芯光纤中发生的多模干涉时干涉频谱的变化。那么，对干涉信号敏感的物理量均可以通过此干涉条纹的移动实现测量，包括温度，应变，负载，折射率等。
为验证实施例一所提供的干涉型光纤SPR传感器的灵敏度与干涉型光纤传感器的相比具有改进，本发明实施例还在可见光区域A波长范围内，通过在承载传感器的玻璃管内注入不同大小折射率的溶液，分析不同共振吸收光谱曲线，其中，三种不同溶液的具体折射率分别为1.3342、1.3552、1.3762。
如图4所示，本发明实施例示出了使用不同大小折射率的溶液进行实验得到的干涉型光纤SPR传感器输出光谱图，其中，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示光功率，单位为dBm，实线表示折射率为1.3342的光谱图，点虚线表示折射率为1.3552的光谱图，线虚线表示折射率为1.3762的光谱图。在图4中，表面等离子体共振效应下，不同折射率条件下均产生共振吸收峰，且吸收峰的波长峰值随着折射率的变化发生漂移。
图4为原始吸收光谱，因此其曲线存在“毛刺”，需要经过数学平滑处理，处理后的光谱如图5所示，图5中横坐标为波长，单位为nm，纵坐标为归一化强度，实线表示折射率为1.3342的光谱图，点虚线表示折射率为1.3552的光谱图，线虚线表示折射率为1.3762的光谱图，此时可清晰看到，随着溶液折射率增大，共振吸收峰的波长峰值向长波长移动，且对应的波长灵敏度约为2397.6nm/RIU。
综合图4和图5可知，对于实施例一所提出的干涉型光纤SPR传感器，使用宽谱光输入并采集对应透射光谱信号，利用可见光区域A的光谱变化，可以基于表面等离子体共振原理实现对折射率的高灵敏度测量；利用近红外区域B的光谱变化，可以基于干涉原理可以实现多个物理量的传感监测，如温度，应变，负载等。且由于两部分测量分别独立基于不同的传感原理，测量过程相互不受影响，极大优化了传感器性能。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种干涉型光纤SPR传感器，其特征在于，包括第一单模光纤、第二单模光纤和无芯光纤；
所述无芯光纤固定在所述第一单模光纤和所述第二单模光纤之间；
所述无芯光纤包括无芯光纤主体和覆盖部分所述无芯光纤主体的表面金属镀膜，所述无芯光纤主体和所述表面金属镀膜构成表面等离子共振结构体；
所述干涉型光纤SPR传感器测量时，外部入射光波由所述第一单模光纤或所述第二单模光纤输入；
所述入射光波传播至所述第一单模光纤与所述无芯光纤的接触面时或传播至所述第二单模光纤与所述无芯光纤的接触面时，所述无芯光纤中发生多模干涉、所述无芯光纤覆盖有金属膜的表面发生等离子共振。
2.如权利要求1所述的干涉型光纤SPR传感器，其特征在于，还包括光谱仪；
外部入射光波由所述第一单模光纤输入时，所述第二单模光纤未与所述无芯光纤接触的一端与光谱仪连接；
外部入射光波由所述第二单模光纤输入时，所述第一单模光纤未与所述无芯光纤接触的一端与光谱仪连接；
所述光谱仪，用于根据可见光区域的光谱，分析所述表面等离子共振结构体的吸收谱中，波长峰值的漂移值；
所述光谱仪，还用于根据近红外区域的光谱，分析所述无芯光纤中发生多模干涉时，所输出的干涉光谱的波长峰值的漂移值。
3.如权利要求1所述的干涉型光纤SPR传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和所述第二单模光纤均包括光纤包层和置于所述光纤包层中间的光纤纤芯；
所述无芯光纤中心与所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的光纤纤芯中心对齐。
4.如权利要求1所述的干涉型光纤SPR传感器，其特征在于，所述表面金属镀膜包括预设厚度的金金属膜。
5.如权利要求4所述的干涉型光纤SPR传感器，其特征在于，所述金金属膜通过磁控溅射镀膜机镀在无芯光纤主体上。
6.如权利要求1所述的干涉型光纤SPR传感器，其特征在于，所述无芯光纤主体包括二氧化硅材料。
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| CN201910514612.5A CN110308115A (zh) | 2019-06-14 | 2019-06-14 | 一种干涉型光纤spr传感器 |
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