光纖包層表面Bragg光柵生化傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光纖傳感器，具體設(shè)及光纖包層表面化agg光柵生化傳感器及其制作 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖光柵W其微型尺寸、抗干擾能力強(qiáng)、高靈敏度、絕對測量等優(yōu)點(diǎn)，為光學(xué)傳感 器家族在軍用及民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測、海下油田W及許多其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要手 段。開發(fā)對外部介質(zhì)折射率敏感的光纖光柵生化傳感器已成為光學(xué)傳感和生物化學(xué)、生物 醫(yī)學(xué)等學(xué)科的交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。如血糖濃度測量、藥物的篩選、食品中細(xì)菌病毒的 檢測，DNA雜交、生物分子相互作用的原位監(jiān)測，氨氣、TNT炸藥的探測等，均通過光纖光柵 生化傳感器測量外部介質(zhì)折射率的微小變化量，間接的估算被測參量的值或評估生化過程 參量的狀態(tài)信息。
[0003] 光纖光柵包括光纖化agg光柵和長周期光纖光柵兩種基本類型。其中，長周期光 纖光柵是將纖忍模到同向包層模，包層模的倏逝場能夠受到外部待測介質(zhì)的影響導(dǎo)致其諧 振波長或強(qiáng)度的變化進(jìn)行測量，因此長周期光纖光柵本質(zhì)上不需要經(jīng)過任何處理即可實(shí)現(xiàn) 折射率的傳感，但是，長周期光纖光柵不僅對折射率十分的敏感，而且對溫度、應(yīng)變等物理 參數(shù)也十分的敏感，因此當(dāng)將其應(yīng)用于生化方面的傳感時，會存在嚴(yán)重的交叉敏感問題；此 夕F，長周期光纖光柵的3地諧振帶寬一般〉20nm，因此理論上其對外部參量的檢測精度較 低。
[0004] 而光纖化agg光柵是同向纖忍基模到反向纖忍基模的禪合，其倏逝場的能量僅僅 局限于纖忍的內(nèi)部，因此它本質(zhì)上對折射率不敏感，僅對溫度、應(yīng)變或壓力敏感，但是光纖 Bragg光柵的3地諧振帶寬很窄（0. 1皿~0. 5nm)，因此，理論上其對外部參量的檢測精度 很高；此外，光纖化agg光柵的溫度/應(yīng)變靈敏度較長周期的溫度/應(yīng)變靈敏度低得多，因 此其交叉敏感效應(yīng)很小。過去十多年，為了使得傳統(tǒng)光纖Bragg光柵對外部介質(zhì)折射率敏 感，許多人采用化學(xué)溶液腐蝕或側(cè)面研磨的方法去除光纖化agg光柵的全部包層或大部分 包層，形成微米直徑量級的化agg光柵（直徑3μηι~15μηι、長度1mm~20mm)，于是可使 其纖忍模的倏逝場透射到外部待測介質(zhì)中，則光纖化agg光柵將對外部介質(zhì)折射率的變化 將十分敏感，從而可將其應(yīng)用于生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的各種參量和檢測。 但化學(xué)腐蝕或側(cè)面研磨光纖化agg光柵包層的方法存在許多的缺點(diǎn)，比如：1)無法保證光 柵表面的均勻性，因此使得光柵的諧振光譜展寬，導(dǎo)致傳感中的測量精度降低，甚至無法使 用；2)降低了光纖化agg光柵的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致使用過程中操作困難、容易折斷。3)化學(xué)腐 蝕或側(cè)面研磨的過程耗時較長，過程不好控制，重復(fù)性不好。
[0005] 為綜合解決長周期光纖光柵或腐蝕/研磨型光纖化agg光柵獨(dú)立作為折射率傳 感器存在的問題，與本發(fā)明類似的有2010年M.Han等提出基于"長周期光纖光柵-光纖 Bragg光柵"組合式的折射率-溫度傳感器，利用其中的光纖化agg光柵的包層模實(shí)現(xiàn)折射 率的傳感，它的原理是：帶寬光源發(fā)出的寬帶光先經(jīng)過長周期光纖光柵，然后再傳輸?shù)焦饫w Bragg光柵；當(dāng)光傳輸?shù)介L周期光纖光柵處，部分纖忍模的能量將禪合到包層模中傳播，當(dāng) 運(yùn)部分W包層模形式傳輸?shù)墓饽芰颗c余下纖忍模的能量傳播到光纖化agg光柵處時，分別 滿足光纖化agg光柵的包層模和纖忍模諧振條件的波長的光能量將被反射回來；同樣的， 反射回來的包層模傳輸?shù)介L周期光纖光柵時，將部分禪合至纖忍中，反射回來的纖忍模傳 輸?shù)介L周期光纖光柵時將部分能量重新禪合到包層中傳輸，剩余的纖忍模能量穿過長周期 光纖光柵繼續(xù)傳輸，于是在反射端可W檢測到兩個諧振峰，前者對溫度與折射率均敏感，而 后者僅對溫度敏感，且有幾乎相同的溫度靈敏度?；?長周期光纖光柵-光纖化agg光 柵"組合式的折射率-溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)φ凵渎屎蜏囟韧瑫r傳感，并且保持了光 纖Bragg光柵的窄帶諧振峰的特點(diǎn)，提高了對折射率的傳感精度，此外，不需要對光纖做任 何處理，保持傳感器的完整性和魯棒性。但其缺點(diǎn)是：其中的光纖化agg光柵采用的是傳統(tǒng) 的紫外曝光相位掩膜法制作，且需要使用具有對光子敏感的包層的特種光纖材料來制作光 纖化agg光柵，W保證在寫入纖忍化agg光柵的同時，在包層和纖忍的交界面附近形成包層 內(nèi)部的化agg光柵，但該方法形成的包層內(nèi)部的化agg光柵的強(qiáng)度很小，因此包層模諧振的 反射強(qiáng)度十分微弱，而且包層模和纖忍模的諧振經(jīng)過長周期光纖光柵的兩次能量禪合，因 此能檢測到的反射強(qiáng)度也很低；此外，由于它的包層內(nèi)部化agg光柵處于包層和纖忍的交 界面附近，因此該化agg光柵結(jié)構(gòu)對低階包層模的影響較大，而對高階包層模的影響很小， 而低階的包層模的折射率靈敏度非常低，實(shí)驗(yàn)得到僅為約2. 3nm/RIU，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)長周期光 纖光柵的折射率靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供光纖包層表 面化agg光柵生化傳感器及其制作方法。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，光纖包層表面化agg光柵生化 傳感器，包括光纖纖忍和包裹光纖纖忍的光纖包層，其特征在于：所述光纖纖忍的前段設(shè)置 長周期光纖光柵，該長周期光纖光柵作為光纖纖忍和光纖包層的光共振禪合器，用于將纖 忍模禪合到同向包層?；?qū)鼘幽６U合到纖忍模；在光纖包層的中段外表面設(shè)置光纖包層 表面化agg光柵，該光纖包層表面化agg光柵由若干個點(diǎn)狀凹槽構(gòu)成或者由若干條相互平 行的線狀溝槽構(gòu)成；所述線狀溝槽或點(diǎn)狀凹槽沿光纖的軸向呈現(xiàn)周期性的分布，并對光纖 包層外表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)性損壞；所述線狀溝槽的槽道沿光纖圓周方向分布，所有線狀溝槽的 軸對稱線在一條直線上，且該直線與光纖中屯、軸平行；所有點(diǎn)狀凹槽的中屯、點(diǎn)位于一條直 線上，且該直線與光纖中屯、軸平行；該光纖包層表面化agg光柵作為光纖包層模諧振的反 射器件；在長周期光纖光柵后方的光纖纖忍上設(shè)置有光纖化agg光柵，該光纖化agg光柵作 為光纖基模諧振的反射器件，起溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br>[0008] 本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)獨(dú)特之處在于采用光纖包層表面化agg光柵作為外部介質(zhì)折 射率傳感單元，能在包層表面造成很強(qiáng)的折射率條紋調(diào)制，它對高階包層模的影響很大，因 此，可在包層內(nèi)獲得很強(qiáng)的包層模諧振，同時具有很高的折射率靈敏度；此外，光纖包層表 面化agg光柵保持了傳統(tǒng)光纖化agg光柵的窄諧振帶寬特性，因此具有很高的Q值因子，對 折射率的測量精度遠(yuǎn)高于長周期光纖光柵；其次，光纖包層表面化agg光柵結(jié)構(gòu)還保留了 傳統(tǒng)光纖化agg光柵相對于長周期光纖光柵低得多的溫度、應(yīng)變靈敏系數(shù)，因此，光纖包層 表面化agg光柵較長周期光纖光柵具有低得多的溫度/應(yīng)變交叉敏感效應(yīng)；最后，光纖包層 表面化agg光柵生化傳感器不需要對光纖包層做腐蝕或研磨處理，保持了傳感器的完整性 和魯棒性。整個傳感器所需要的光纖共振禪合器即長周期光纖光柵、光纖包層表面化agg 光柵、溫度補(bǔ)償單元即光纖化agg光柵都集成在一段光纖上，使整個傳感器完全光纖化、微 型化，且結(jié)構(gòu)簡單、體積小，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，精確確定該光纖包層表面化agg光柵的窄帶 諧振波長的漂移，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠。
[0009] 本發(fā)明光纖包層表面化agg光柵生化傳感器對折射率十分敏感的原理是：由于 Bragg光柵結(jié)構(gòu)處于包層的外表面邊界，所W該化agg光柵對高階包層模光波場中符合諧 振條件的光波長的反射遠(yuǎn)大于對低階包層模光波場中符合諧振條件的光波長的反射，又由 于外部介質(zhì)折射率變化對高階包層模倏逝場的影響遠(yuǎn)大于對低階包層模倏逝場的影響，因 此，當(dāng)外部待測介質(zhì)的折射率發(fā)生變化的時