分布式表面等離子體共振光纖傳感器及用于液體折射率測(cè)量的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供的是一種分布式表面等離子體共振光纖傳感器及用于液體折射率測(cè)量的方法。包括階躍折射率多模光纖、分別位于階躍折射率多模光纖的兩端的超連續(xù)譜光源與光譜儀，所述階躍折射率多模光纖上加工有兩個(gè)傳感區(qū)，第一傳感區(qū)和第二傳感區(qū)的形狀不同，兩個(gè)傳感區(qū)上均鍍有納米金屬薄膜。超連續(xù)譜光源發(fā)出的光耦合到階躍折射率多模光纖中并在第一傳感區(qū)激發(fā)表面等離子體共振，在對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)處光強(qiáng)衰減，到達(dá)第二傳感區(qū)再次激發(fā)表面等離子體共振，在對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)處光強(qiáng)也發(fā)生衰減，第一傳感區(qū)和第二傳感區(qū)產(chǎn)生的共振波長(zhǎng)差異顯著，因此實(shí)現(xiàn)分布式傳感。本發(fā)明具有體積小、光損耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
分布式表面等離子體共振光纖傳感器及用于液體折射率測(cè)量 的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及的是一種光纖傳感器，特別是一種主要用于環(huán)境折射率、溶液濃度等 傳感測(cè)量的分布式SH?光纖傳感器。本發(fā)明也設(shè)及一種光纖傳感器用于液體折射率測(cè)量的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance,SPR)是光在全反射過(guò)程中和分 界面處的導(dǎo)電介質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象。在全反射過(guò)程中，光會(huì)透過(guò)光疏介質(zhì) 約一個(gè)波長(zhǎng)，再沿界面?zhèn)鞑ゼs半個(gè)波長(zhǎng)再回到光密介質(zhì)，透過(guò)光疏介質(zhì)的光波稱為消逝波。 消逝波激發(fā)導(dǎo)電介質(zhì)產(chǎn)生表面等離子體波，當(dāng)消逝波的頻率與表面等離子體波的頻率相等 時(shí)，將會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，光束的全反射被打破，反射光強(qiáng)急劇減小，使得光譜在此頻率處出 現(xiàn)塌縮形成SPR共振谷，該共振谷對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)稱為共振波長(zhǎng)。隨著外界折射率的變化，SPR 的共振波長(zhǎng)也隨之發(fā)生漂移，因此通過(guò)對(duì)共振波長(zhǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可W實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境折射率或溶 液濃度的傳感。
[0003] SPR傳感器在生物檢測(cè)上有著重大的作用，可對(duì)分析物（例如抗原，DNA)及固定在 SPR傳感器金屬膜上的特異性結(jié)合體(例如抗體，互補(bǔ)DNA)之間的相互作用進(jìn)行實(shí)時(shí)靈敏的 無(wú)標(biāo)記測(cè)量，SPR傳感器可W檢測(cè)分析物結(jié)合導(dǎo)致的折射率變化，因此在生物領(lǐng)域有著極大 的優(yōu)勢(shì)。隨著待測(cè)目標(biāo)參量種類(lèi)和特性的多樣化，使得常規(guī)單級(jí)SPR傳感機(jī)構(gòu)已逐漸無(wú)法滿 足實(shí)際檢測(cè)的需要。2005年Jifi Homola等人提出了基于棱鏡的分布式多通道SPR傳感器 (J.Homola.Multi-analyte surface plasmon resonance biosensing[J].Methods,2005, 37 (1): 26-36)，可同時(shí)監(jiān)測(cè)多種分析物，但存在體積大、成本高、不易攜帶等缺點(diǎn)。將SPR結(jié) 合到光纖中，可W極大的降低傳感器的尺寸和制作成本，且穩(wěn)定性高，因此目前SH?光纖傳 感器已經(jīng)成為SPR傳感器研究的主流方向。
[0004] 2012年Y.化an等人提出了一種通過(guò)改變金屬膜厚的分布式SPR傳感器(Y. Yuan， L.Wang,J.Huang.Theoretical investigation for two cascaded SPR fiber optic sensors[J].Sensors and Actuators B:Qiemical,2012,161(1) :269-273),但只在理論上 進(jìn)行了分析，在實(shí)際操作中由于光纖尺寸太細(xì)容易折斷光纖，且運(yùn)種利用改變金屬膜厚來(lái) 實(shí)現(xiàn)分布式SPR傳感器產(chǎn)生的兩個(gè)共振谷太近容易疊加成一個(gè)難W辨認(rèn)。2015年趙恩銘等 人成功研制出利用雙忍光纖的分布式SPR光纖傳感器，并提出"分布式表面等離子體共振光 纖傳感器"的發(fā)明專(zhuān)利(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?201510400263.6)，在雙忍光纖上加工出多組V型槽 實(shí)現(xiàn)分布式傳感，但由于纖忍尺寸太細(xì)，因此需要很高的加工精度且注光困難，另外由于傳 感區(qū)面積太小導(dǎo)致SPR共振谷深度太淺，不容易識(shí)別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度大、成本低廉、能夠?qū)崿F(xiàn)分 布式監(jiān)測(cè)的分布式表面等離子體共振光纖傳感器。本發(fā)明的目的還在于提供一種用分布式 表面等離子體共振光纖傳感器測(cè)量液體折射率的方法。
[0006] 本發(fā)明的分布式表面等離子體共振光纖傳感器包括階躍折射率多模光纖2、分別 位于階躍折射率多模光纖2的兩端的超連續(xù)譜光源1與光譜儀3,所述階躍折射率多模光纖2 上加工有兩個(gè)傳感區(qū)，第一傳感區(qū)2-1和第二傳感區(qū)2-2的形狀不同，兩個(gè)傳感區(qū)上均鍛有 納米金屬薄膜。
[0007] 本發(fā)明的分布式表面等離子體共振光纖傳感器還可W包括：
[000引1、第一傳感區(qū)2-1是通過(guò)腐蝕使階躍折射率多模光纖2的纖忍裸露所形成的圓柱 形傳感區(qū)，長(zhǎng)度為10mm。
[0009] 2、第二傳感區(qū)2-2是通過(guò)研磨在兩段階躍折射率多模光纖2的端部形成圓臺(tái)，兩個(gè) 圓臺(tái)端焊接形成的雙圓臺(tái)形傳感區(qū)，圓臺(tái)角度α滿足8° <α<20°。
[0010] 3、圓臺(tái)的上底直徑為下底直徑的一半。
[0011] 4、所述納米金屬薄膜是金膜或者銀膜，厚度為35~55nm。
[0012] 用分布式表面等離子體共振光纖傳感器測(cè)量液體折射率的方法為：
[0013] (1)、分布式表面等離子體共振光纖傳感器的階躍折射率多模光纖2的兩端剝除涂 覆層20~30mm，將兩端面切割平整；
[0014] (2)、使用光譜范圍覆蓋450~1200nm的超連續(xù)譜光源1，階躍折射率多模光纖2任 一端將光注入到階躍折射率多模光纖2中；
[0015] (3)、將階躍折射率多模光纖2的另一端連接至光譜儀3,并調(diào)整光譜儀的檢測(cè)波長(zhǎng) 范圍為450~1200nm;
[0016] (4)、用光譜儀3采集一組該分布式表面等離子體共振光纖傳感器放置在空氣中時(shí) 的光譜作為參考光譜；
[0017] (5)、將第一傳感區(qū)2-1和第二傳感區(qū)2-2放置到需要測(cè)量的液體中，用光譜儀3采 集光譜，并與步驟(4)中的參考光譜做差，由于表面等離子體共振現(xiàn)象的發(fā)生，做差后的光 譜中在某兩個(gè)波長(zhǎng)處光強(qiáng)明顯的減弱，其中，短波長(zhǎng)為第一傳感區(qū)2-1的表面等離子體共振 波長(zhǎng)，長(zhǎng)波長(zhǎng)為第二傳感區(qū)2-2的表面等離子體共振波長(zhǎng)；
[0018] (6 )、通過(guò)分布式表面等離子體共振光纖傳感器的標(biāo)定曲線，由共振波長(zhǎng)得到所測(cè) 溶液的折射率。
[0019] 本發(fā)明的分布式表面等離子體共振光纖傳感器的超連續(xù)譜光源1發(fā)出的光禪合到 階躍折射率多模光纖2中并在第一傳感區(qū)2-1激發(fā)表面等離子體共振，在對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)處 光強(qiáng)衰減，到達(dá)第二傳感區(qū)2-2再次激發(fā)表面等離子體共振，在對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)處光強(qiáng)也發(fā) 生衰減，第一傳感區(qū)2-1和第二傳感區(qū)2-2產(chǎn)生的共振波長(zhǎng)差異顯著，因此實(shí)現(xiàn)分布式傳感。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0021] 1、采用粗忍徑的階躍折射率多模光纖，能更好的注光并減小光損耗；
[0022] 2、將光纖研磨成圓臺(tái)形狀，增大了傳感區(qū)面積，因而加深了共振谷的深度，更易于 辨認(rèn)；
[0023] 3、采用的光纖價(jià)格低廉，制作工藝簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
[0024] 本發(fā)明的SH?傳感器使用多模光纖，具有體積小、光損耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)， 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為分布式SH?光纖傳感器的Ξ維結(jié)構(gòu)示意圖。
[00%]圖2為在第二傳感區(qū)2-2發(fā)生SPR的光束的光路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的描述：
[0028] 結(jié)合圖1，本發(fā)明的分布式SH?光纖傳感器包括超連續(xù)譜光源1、階躍折射率多模光 纖2和光譜儀3;階躍折射率多模光纖2的纖忍直徑為105皿，包層直徑為125μπι，數(shù)值孔徑為 0.22,在光纖的不同部位加工有兩個(gè)不同形狀的第一傳感區(qū)2-1和第二傳感區(qū)2-2,第一傳 感區(qū)2-1通過(guò)腐蝕裸露纖忍，第二傳感區(qū)2-2通過(guò)研磨和焊接形成雙圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，圓臺(tái)的角度α 需滿足光的全內(nèi)反射條件;在兩個(gè)傳感區(qū)上均鍛有納米金屬薄膜。階躍折射率多模光纖2選 擇包層厚度盡可能小的階躍折射率多模光纖。第一傳感區(qū)2-1通過(guò)腐蝕裸露纖忍獲得，長(zhǎng)度 大約為10mm。第二傳感區(qū)2-2通過(guò)研磨和焊接形成雙圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，圓臺(tái)角度α滿足8° <α<20°，圓 臺(tái)的上底直徑為下底直徑的一半。納米金屬薄膜可W是金膜或者銀膜，厚度為35~55nm。
[0029] 本發(fā)明的分布式SPR光纖傳感器，采用如下制作方法制備：
[0030] 步驟1、取一段階躍折射率多模光纖2,其纖忍直徑為105μπι，包層直徑為12扣m，數(shù) 值孔徑為0.22;其長(zhǎng)度一般約為1米(此長(zhǎng)度視實(shí)際需要而定），在光纖的一端，剝除光纖的 涂覆層20~30mm，使用無(wú)紡布薩取酒精和乙酸混合液，反復(fù)擦拭光纖外包層，直至清潔后備 用。
[0031] 步驟2、用光纖切割刀將清潔后的光纖端面切割平整。
[0032] 步驟3、使用光纖研磨機(jī)，將光纖磨成角度為α的圓臺(tái)形狀，且8° <α<20°，圓臺(tái)上底 直徑為下底直徑的一半，圓臺(tái)的角度α將會(huì)影響對(duì)折射率的傳感范圍和檢測(cè)靈敏度。
[0033] 步驟4、在光纖中間部位剝除光纖涂覆層約10mm，使用無(wú)紡布薩取酒精和乙酸混合 液，反復(fù)擦拭光纖外包層，直至清潔。
[0034] 步驟5、對(duì)步驟4所述的光纖，將剝除涂覆層的部位用氨氣酸進(jìn)行腐蝕，直至將包層 完全腐蝕露出纖忍形成第一傳感區(qū)2-1。
[0035] 步驟6、另取一段階躍折射率多模光纖2,用光纖研磨機(jī)把光纖一端研磨成和步驟3 中一樣的圓臺(tái)形狀。
[0036] 步驟7、使用光纖焊接機(jī)，將步驟3和步驟6中的兩個(gè)圓臺(tái)形光纖尖進(jìn)行焊接形成第 二傳感區(qū)2-2,調(diào)整焊接電流和焊接時(shí)間使光纖在焊接過(guò)程中不變形。
[0037] 步驟8、使用等離子清洗機(jī)，將步驟7所述光纖進(jìn)行清洗。
[0038] 步驟9、利用離子瓣射真空鍛膜技術(shù)，在第一傳感區(qū)2-1和第二傳感區(qū)2-2表面鍛上 金膜，厚度為50nm。
[0039] 利用本發(fā)明分布式SPR光纖傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)液體折射率的測(cè)量的具體步驟如下：
[0040] 步驟1、取一個(gè)制作完成的分布式SPR光纖傳感器，光纖兩端剝除涂覆層20~30mm， 用無(wú)紡布薩取酒精和乙酸混合液，反復(fù)擦拭光纖外包層，直至清潔，并用光纖切割刀將兩端 面切割平整。
[0041 ]步驟2、使用光譜范圍覆蓋450~1200nm的超連續(xù)譜光源1，在光纖2任一端將光源 輸出的光注入到光纖中。
[0042] 步驟3、將光纖2的另一端連接至光譜儀3,并調(diào)整光譜儀的檢測(cè)波長(zhǎng)范圍為450~ 1200nm。
[0043] 步驟4、用光譜儀3采集一組該光纖傳感器放置在空氣中時(shí)的光譜作為參考光譜。
[0044] 步驟5、將第一傳感區(qū)2-1和第二傳感區(qū)2-2放置到需要測(cè)量的液體中，用光譜儀3 采集此光譜，并與步驟4中的參考光譜做差，由于SPR現(xiàn)象的發(fā)生，做差后的光譜中在某兩個(gè) 波長(zhǎng)處光強(qiáng)明顯的減弱，其中，短波長(zhǎng)為第一傳感區(qū)2-1的SPR共振波長(zhǎng)，長(zhǎng)波長(zhǎng)為第二傳感 區(qū)2-2的SH?共振波長(zhǎng)。
[0045] 步驟6、通過(guò)該傳感器的標(biāo)定曲線，就可W由共振波長(zhǎng)得到所測(cè)溶液的折射率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分布式表面等離子體共振光纖傳感器，包括階躍折射率多模光纖(2)、分別位于 階躍折射率多模光纖(2)的兩端的超連續(xù)譜光源（1)與光譜儀(3)，其特征是:所述階躍折射 率多模光纖(2)上加工有兩個(gè)傳感區(qū)，第一傳感區(qū)（2-1)和第二傳感區(qū)（2-2)的形狀不同，兩 個(gè)傳感區(qū)上均鍍有納米金屬薄膜。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式表面等離子體共振光纖傳感器，其特征是:第一傳感區(qū) (2-1)是通過(guò)腐蝕使階躍折射率多模光纖（2)的纖芯裸露所形成的圓柱形傳感區(qū)，長(zhǎng)度為 10mm〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分布式表面等離子體共振光纖傳感器，其特征是：第二傳 感區(qū)（2-2)是通過(guò)研磨在兩段階躍折射率多模光纖(2)的端部形成圓臺(tái)，兩個(gè)圓臺(tái)端焊接形 成的雙圓臺(tái)形傳感區(qū)，圓臺(tái)角度α滿足8° <α〈20°。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分布式表面等離子體共振光纖傳感器，其特征是：圓臺(tái)的 上底直徑為下底直徑的一半。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的分布式表面等離子體共振光纖傳感器，其特征是：圓臺(tái)的上底 直徑為下底直徑的一半。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分布式表面等離子體共振光纖傳感器，其特征是:所述納 米金屬薄膜是金膜或者銀膜，厚度為35~55nm。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的分布式表面等離子體共振光纖傳感器，其特征是:所述納米金 屬薄膜是金膜或者銀膜，厚度為35~55nm。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式表面等離子體共振光纖傳感器，其特征是:所述納米金 屬薄膜是金膜或者銀膜，厚度為35~55nm。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的分布式表面等離子體共振光纖傳感器，其特征是:所述納米金 屬薄膜是金膜或者銀膜，厚度為35~55nm。10. -種用權(quán)利要求1所述的分布式表面等離子體共振光纖傳感器測(cè)量液體折射率的 方法，其特征是： (1) 、分布式表面等離子體共振光纖傳感器的階躍折射率多模光纖(2)的兩端剝除涂覆 層20~30mm，將兩端面切割平整； (2) 、使用光譜范圍覆蓋450~1200nm的超連續(xù)譜光源（1)，階躍折射率多模光纖2任一 端將光注入到階躍折射率多模光纖(2)中； (3) 、將階躍折射率多模光纖(2)的另一端連接至光譜儀(3)，并調(diào)整光譜儀的檢測(cè)波長(zhǎng) 范圍為450~1200nm; (4) 、用光譜儀(3)采集一組該分布式表面等離子體共振光纖傳感器放置在空氣中時(shí)的 光譜作為參考光譜； (5) 、將第一傳感區(qū)（2-1)和第二傳感區(qū)（2-2)放置到需要測(cè)量的液體中，用光譜儀(3) 采集光譜，并與步驟(4)中的參考光譜做差，由于表面等離子體共振現(xiàn)象的發(fā)生，做差后的 光譜中在某兩個(gè)波長(zhǎng)處光強(qiáng)明顯的減弱，其中，短波長(zhǎng)為第一傳感區(qū)（2-1)的表面等離子體 共振波長(zhǎng)，長(zhǎng)波長(zhǎng)為第二傳感區(qū)（2-2)的表面等離子體共振波長(zhǎng)； (6) 、通過(guò)分布式表面等離子體共振光纖傳感器的標(biāo)定曲線，由共振波長(zhǎng)得到所測(cè)溶液 的折射率。
【文檔編號(hào)】G01N21/552GK106066313SQ201610352471
【公開(kāi)日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日 公開(kāi)號(hào)201610352471.8, CN 106066313 A, CN 106066313A, CN 201610352471, CN-A-106066313, CN106066313 A, CN106066313A, CN201610352471, CN201610352471.8
【發(fā)明人】劉志海, 朱宗達(dá), 魏勇, 張羽, 張亞勛, 趙恩銘, 苑立波
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)