本發(fā)明屬于光纖SPR傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器。

背景技術(shù)：

SPR傳感器通常基于Kretschmann結(jié)構(gòu)，由薄的高導(dǎo)電金屬(常見的是金或者銀)層覆蓋在棱鏡表面組成。其反射光譜的特性對(duì)臨近金屬層外側(cè)介質(zhì)的折射率是高度敏感的。

1902年Wood(Proceedings of the Physical Society of London，269-275，1902)首次發(fā)現(xiàn)連續(xù)光譜的偏振光照射金屬光柵時(shí)會(huì)發(fā)生反常的衍射現(xiàn)象，由此意識(shí)到表面等離子波的存在，并做了公開描述。1957年，Ritchie(Phys.Rev，874-881，1957)通過研究發(fā)現(xiàn)，電子透過金屬薄片時(shí)，會(huì)有能量消失峰，他將這種消失峰稱為“能量降低的”等離子體模式，并給出等離子體模式與薄膜邊界的關(guān)系，首次提出了用于描述金屬內(nèi)部電子密度進(jìn)行縱向波動(dòng)的“金屬等離子體”概念。

1971年，德國(guó)的物理學(xué)者Kretschmann(Z.physick，313-324，1971)在Otto模型的基礎(chǔ)上提出另外一種模型，即直接將金屬薄膜鍍制在棱鏡底部，這樣克服了控制間隙厚度的困難，并對(duì)這種模型進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，我們稱之為Kretschmann模型。美國(guó)華盛頓大學(xué)R.C.Jorgenson(Sensors and Actuators B，213–220，1993)博士于1993年和他的導(dǎo)師S.S.Yee通過實(shí)驗(yàn)和理論分析提出了光纖SPR生物傳感器的概念，不再使用體積較大的棱鏡而是利用多模光纖纖芯作為激發(fā)SPR效應(yīng)的載體，設(shè)計(jì)出第一個(gè)光纖SPR生物傳感器，并且用白光光源代替了單色光源。

由于SPR現(xiàn)象對(duì)與產(chǎn)生表面等離子激元金屬薄膜接觸待測(cè)介質(zhì)的折射率極其靈敏，可以用光纖SPR傳感器檢測(cè)待測(cè)介質(zhì)折射率，并且其結(jié)果更為精確。但是，受光纖纖芯折射率的影響，光纖SPR傳感器可測(cè)折射率的范圍也受到制約，于是調(diào)節(jié)光纖纖芯折射率就成為一個(gè)新的努力方向。如Jorgenson(Sensors and Actuators A，1994)通過使用藍(lán)寶石光纖，將光纖SPR的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍整體向短波長(zhǎng)調(diào)整，并使其測(cè)量范圍上限擴(kuò)展到1.70，但是藍(lán)寶石光纖價(jià)格昂貴，對(duì)于光纖型SPR傳感器改變纖芯材質(zhì)較為困難。

基于此，本發(fā)明提出了一種纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器及其制作方法。利用紫外固化膠注入空心光纖或者毛細(xì)管光纖的方法實(shí)現(xiàn)纖芯折射率的調(diào)節(jié)，然后對(duì)設(shè)計(jì)制作的特種光纖表面進(jìn)行部分腐蝕并鍍制50nm金屬膜的方法制作光纖SPR探針，將該光纖SPR探針置于待測(cè)液體環(huán)境中，通過接收光纖和輸出光纖的連接，可以在光譜儀上觀察到反射光譜出現(xiàn)反射率急劇下降的共振谷即SPR現(xiàn)象，從而根據(jù)共振谷的位置進(jìn)行液體折射率高靈敏檢測(cè)。纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器具有纖芯折射率可通過更換不同折射率的紫外固化膠從而進(jìn)行調(diào)節(jié)的特性，因而能夠更大折射率范圍的待測(cè)液體進(jìn)行檢測(cè)，并且為波分復(fù)用型SPR多通道檢測(cè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明的目的在于提供一種基于光纖、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便的纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器。本發(fā)明利用紫外固化膠注入空心光纖或者毛細(xì)管光纖中改變纖芯折射率從而制的纖芯折射率可調(diào)的特種光纖，利用該纖芯折射率可調(diào)的特種光纖進(jìn)行部分表面的腐蝕和鍍制金屬膜從而獲得纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR探針，然后接入光路并將SPR探針置于待測(cè)液體環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)待測(cè)液體折射率的檢測(cè)。

一種纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器，包括超連續(xù)譜光源1、注光光纖2、構(gòu)建的纖芯折射率可調(diào)特種光纖3、收光光纖4、光譜儀5；其特征在于：超連續(xù)譜光源1發(fā)出的光由注光光纖2接收并傳輸進(jìn)入纖芯折射率可調(diào)的特種光纖3中，對(duì)設(shè)計(jì)制作的纖芯折射率可調(diào)特種光纖3進(jìn)行部分表面腐蝕并在腐蝕處鍍50nm金膜加工，構(gòu)成光纖SPR探針；用直徑較大的多模光纖作為收光光纖4對(duì)輸出光場(chǎng)進(jìn)行接收并將光信號(hào)傳輸?shù)焦庾V儀5進(jìn)行信號(hào)采集和解調(diào)；將制作完成的SPR傳感探針置于待測(cè)液體環(huán)境中，通過光譜儀5解調(diào)出的SPR共振波長(zhǎng)即可檢測(cè)液體的折射率。

所述的一種纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器，其特征在于：所述的超連續(xù)譜光源1波長(zhǎng)范圍需覆蓋500nm至1000nm波段，可以是鹵素?zé)魧捵V光源，也可以是光子晶體光纖寬譜光源。

所述的一種纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器，其特征在于：所述的注光光纖2是單?；蛏倌９饫w，包層直徑為125μm，纖芯直徑為4μm至10μm。

所述的一種纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器，其特征在于：所述的纖芯折射率可調(diào)的特種光纖3制作方法為，用氫氧焰拉錐法將光纖包層預(yù)制石英管拉制成內(nèi)徑125μm的空心毛細(xì)管，用微流控泵將超低折射率紫外固化膠吸入空心毛細(xì)管，先用紫外燈固化毛細(xì)管端頭紫外固化膠，用微流泵對(duì)毛細(xì)管中未固化的紫外固化膠進(jìn)行加壓，一邊加壓一邊固化，防止紫外固化膠固化時(shí)收縮產(chǎn)生斷節(jié)，固化后將毛細(xì)管兩端切割，用裸光纖端面研磨技術(shù)磨平兩端面，更換不同折射率的紫外固化膠，即可改變纖芯折射率。

所述的一種纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器，其特征在于：所述的收光光纖4是多模光纖，包層直徑為125μm，纖芯直徑為50μm至125μm，纖芯折射率可以為漸變型，也可以為階躍型。

所述的一種纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器，其特征在于：所述的纖芯折射率可調(diào)的特種光纖3制成的SPR探針，是用氫氟酸將制成的特種光纖表面的石英毛細(xì)管腐蝕去掉1-2cm，并用等離子濺射技術(shù)在裸露的紫外固化膠上鍍制50nm金膜后銀膜制成；與注光光纖2、收光光纖4的連接可以采用制作完成后進(jìn)行光纖焊接連接，也可以在特種光纖制作時(shí)，石英毛細(xì)管抽取紫外固話膠后，將兩光纖插入后再行固化，直接將兩光纖以紫外固化膠固化的方式與特種光纖完成連接。

基于以上分析，我們用一段普通單模光纖與一段中間注入紫外固化膠的中空毛細(xì)管光纖對(duì)接，拉錐制成的毛細(xì)管光纖折射率1.4446，外徑250μm，內(nèi)徑125μm，長(zhǎng)度約為2cm。理論仿真光源波長(zhǎng)從500nm到1000nm，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，不同折射率紫外固化膠在光譜儀可顯示解調(diào)共振波長(zhǎng)500nm至1000nm范圍內(nèi)，可檢測(cè)的折射率范圍計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以看出，通過降低特種光纖纖芯折射率，相同折射率溶液中SPR光譜共振谷出現(xiàn)藍(lán)移，可以檢測(cè)折射率范圍即向低折射率擴(kuò)大；通過升高特種光纖纖芯折射率，相同折射率溶液中SPR光譜共振谷出現(xiàn)紅移，可以檢測(cè)折射率范圍即向高折射率擴(kuò)大。合理調(diào)整紫外固化膠折射率，可測(cè)量超高折射率或者超低折射率待測(cè)物質(zhì)。

附圖說明

圖1為纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器工作系統(tǒng)示意圖。

圖2為纖芯折射率可調(diào)的全光纖SPR探針示意圖。

圖3為圖2中AA′、BB′和CC′平面對(duì)應(yīng)的剖面圖，其中圖(a)為單模光纖剖面圖對(duì)應(yīng)于AA′平面；圖(b)為纖芯折射率可調(diào)特種光纖剖面圖，對(duì)應(yīng)于BB′平面；圖(c)為多模光纖剖面圖，對(duì)應(yīng)于CC′平面。

圖4為不同纖芯折射率時(shí)待測(cè)溶液折射率與共振波長(zhǎng)理論仿真圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施案例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明可以通過如下的方式實(shí)現(xiàn)：如圖1所示。

圖1中1為超連續(xù)譜光源，2為注光光纖，3為纖芯折射率可調(diào)的特種光纖，4為收光光纖，5為光譜儀。光源1發(fā)出的光通過注光光纖2傳輸進(jìn)入置于待測(cè)液體環(huán)境中的纖芯折射率可調(diào)的特種光纖3，纖芯折射率可調(diào)的特種光纖3的出射光場(chǎng)由收光光纖4將光信號(hào)傳輸?shù)焦庾V儀5，從而可以得到具有共振谷的反射SPR光譜，經(jīng)過折射率標(biāo)定后即可對(duì)待測(cè)液體折射率進(jìn)行檢測(cè)。

實(shí)施案例：纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器的制作。步驟如下：

1、首先取一2m單模光纖，將單模光纖一端用光纖剝線鉗剝除光纖涂覆層3cm，用酒精將光纖包層清洗干凈。用光纖切割刀將光纖端面切平后用裸纖適配器接入超連續(xù)譜光源出光插口。

2、取50cm光纖拉錐機(jī)拉制好的毛細(xì)管光纖，其光纖折射率為1.4446，外徑250μm，內(nèi)經(jīng)125μm。將針管夾持在微流控泵上，點(diǎn)膠針頭與毛細(xì)管光纖用環(huán)氧膠密封，將紫外固化膠吸入毛細(xì)管光纖中，先用紫外燈固化毛細(xì)管端頭紫外固化膠，用微流泵對(duì)毛細(xì)管中未固化的紫外固化膠進(jìn)行加壓，一邊加壓一邊固化，防止紫外固化膠固化時(shí)收縮產(chǎn)生斷節(jié)，固化后將毛細(xì)管兩端切割，用裸光纖端面研磨系統(tǒng)磨平兩端面。在光纖腐蝕盒中用氫氟酸將制作完成的特種光纖中部腐蝕1.5cm，將毛細(xì)管光纖腐蝕掉，露出紫外固化膠制成的纖芯即可。

3、利用小型等離子濺射真空鍍膜機(jī)，裝載金靶后，在2×10^-1mbar真空穩(wěn)定度下，加載5mA濺射電流對(duì)制作的特種光纖腐蝕面鍍膜3.5分鐘，此時(shí)即在毛細(xì)管光纖腐蝕表面上鍍制了一層50nm厚的金膜。

4、取2m纖芯直徑110μm階躍折射率多模光纖，將其一端經(jīng)涂覆層剝除、清洗、切割后留下2cm長(zhǎng)度，放入光纖焊接機(jī)，將端面研磨平整的加工特種光纖放入光纖焊接機(jī)，與階躍多模光纖進(jìn)行對(duì)接。將插入超連續(xù)譜光源的單模光纖另一端處理后與加工的特種光纖另一端焊接。

5、將階躍多模光纖未對(duì)接的一端與光譜儀連接即完成纖芯折射率可調(diào)的光纖SPR傳感器實(shí)驗(yàn)裝置的制作。將制作完成的SPR傳感探針置于待測(cè)液體環(huán)境中，通過光譜儀解調(diào)出的SPR共振波長(zhǎng)即可檢測(cè)液體的折射率。更換不同折射率的紫外固化膠，即可改變纖芯折射率。