CN101413891B - 一种等离子体共振微结构光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的等离子体共振微结构光纤传感器包括光源，两根普通单模光纤、微结构光纤和光电探测器，光源、第一根普通单模光纤、微结构光纤、第二根普通单模光纤和光电探测器依次相连，微结构光纤是横截面为平行六边形的具有二维周期性结构的光子晶体光纤拉锥形成，在锥形段的表面自内向外依次涂覆有金属膜和蛋白质高分子膜，所说的周期性结构由背景介质和周期性分布排列在背景介质中的介质棒组成。该光纤传感器利用微结构光纤包层结构导光机制，不但无需剥离包层来引出导模，而且无需缓冲层实现入射波光功率进入表面等离子体共振波的高耦合效率，具有工艺简单，结构紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，可在恶劣环境下工作等特点。

Description

一种等离子体共振微结构光纤传感器

技术领域

本发明涉及一种微结构光纤传感器，特别是能够对水样的目标物质浓度进行实时在线测量的等离子共振微结构光纤传感器。

背景技术

表面等离子共振(SPR，Surface plasmon resonance)传感器通过激发表面等离子体共振波(SPW，Surface plasmon wave)来检测传感界面处样品的折射率变化。当满足共振条件时，由于衰减全反射(ATR，Attenuated Total Reflection)产生共振吸收峰，通过共振角θ_SPR或共振波长λ_SPR定标从而测定溶液中目标物质的浓度，实现监测样品的质量。SPR传感技术是近年来国际上迅速发展起来的基于物理光学特性的新型分析技术，具有不需对分子进行标记、样品无需分离纯化、能实时监测生物分子之间结合的全过程等优点，已成为一种成熟的检测生物分子间相互作用的应用方法，也受到了越来越多的环境工作者的重视。目前典型的SPR传感器采用Kretchmann棱镜型结构，存在体积庞大，难以实时检测的明显缺点，特别是角度调制需要精确的步进马达带动角度调整装置，角度分辨率要求非常精密。另一种光纤型SPR传感器是将一段长5mm左右的光纤的包层剥去，然后在此段纤芯上沉积或蒸镀一层50nm左右的金属膜，为了使波导导模与SPW的相位更好地匹配，通常还要在金属层和纤芯波导层之间加一层适当的缓冲层。

微结构光纤(MSF，Micro-structure Fiber)又被称为光子晶体光纤(PCF，Photonic Crystal Fiber)，多孔光纤(HF，Holey Fiber)，它的横截面上通常含有周期性排列分布的介质棒，这些介质棒的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，以周期性规则排列中缺少单一介质棒的形式的缺陷区域充当波导光纤纤芯，缺陷的类型有空气缺陷和电介质缺陷。纤芯中引导光的一种机理是光以类似于传统光纤中全内反射(TIR，Total Internal Reflection)形式传播的折射率引导型(Index Guiding)，另一机理是通过对微结构尺寸和周期排布的合适设计产生光子带隙(PBG，Photonic Band Gap)效应，使对应于缺陷态(局域态)的特定频率的光被限制在纤芯内传播。MSF具有独特的模式特性、损耗特性、耦合特性以及色散关系等光学特性，引起了国内外广泛关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种以微结构光纤作为传感部件的体积小，测量精度高的等离子体共振微结构光纤传感器，能够对水样的目标物质浓度进行实时在线测量与监控。

本发明的等离子体共振微结构光纤传感器包括：光源、两根普通单模光纤、微结构光纤和光电探测器，光源、第一根普通单模光纤、微结构光纤、第二根普通单模光纤和光电探测器依次相连，微结构光纤是横截面为平行六边形的具有二维周期性结构的光子晶体光纤拉锥形成，在锥形段的表面自内向外依次涂覆有金属膜和蛋白质高分子膜，所说的周期性结构由背景介质和周期性分布排列在背景介质中的介质棒组成。

上述的背景介质可以是玻璃、塑料、聚合物或硅；介质棒可以是折射率比背景介质低的玻璃、塑料、聚合物、空气或硅。

上述的金属膜可以为银膜，金膜或铝膜；

上述的生物高分子膜可以是检测Cd²⁺的脲酶膜或检测Hg²⁺的1，6-二硫醇膜。

上述的微结构光纤可以是一段拉锥形状或多段分布式拉锥形状。

本发明的传感器，涂覆在微结构光纤锥形传感段表面的金属膜和蛋白质高分子膜组成传感膜层，当蛋白质高分子膜(如酶)与目标待测水样溶质发生反应(如与离子紧密键合)，使高分子结构改变导致传感膜层折射率发生变化，通过等离子体共振角或共振波长定标从而监测目标物质的质量变化(如浓度)，从而实现对目标待测溶质的选择性检测。

本发明的有益效果在于：

1)本发明的等离子体共振微结构光纤传感器采用拉制成锥形的微结构光纤作为传感部件，利用微结构光纤二维周期性结构导光机制，不但无需剥离包层来引出导模，而且无需缓冲层实现入射波光功率进入表面等离子体共振波的高耦合效率，具有工艺简单，结构紧凑体积小的优点。

2)本发明的等离子体共振微结构光纤传感器，基于微结构光纤本身的优点，这种传感器具有光功率传输效率高，损耗小；可以对传输光进行偏振保持；可以支持单模传输，可以支持多模传输；测量精度高、抗干扰能力强、可在恶劣环境下工作等特点。

3)本发明的等离子体共振微结构光纤传感器，当微结构光纤为多段分布式拉锥形状，可实现多种物质的同时检测，满足不同检测场合的需要，提高检测效率。

附图说明

图1是本发明的微结构光纤传感器示意图。1为光源，2、5分别为第一、第二根普通单模光纤，3为微结构光纤，4是光电探测器。

图2是一段拉锥形微结构光纤示意图。L为涂覆有金属膜和蛋白质高分子膜的拉锥段。

图3是等离子体共振响应曲线。

图4是多段分布式拉锥形状的微结构光纤。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明加以说明。

参照图1、图2，本发明的等离子体共振微结构光纤传感器，包括：光源1，两根普通单模光纤2、5，微结构光纤3和光电探测器4，第一根普通单模光纤2的一端与光源1连接，第一根普通单模光纤2的另一端与微结构光纤3的一端相连，微结构光纤3的另一端与第二根普通单模光纤5的一端相连，第二根普通单模光纤5的另一端与光电探测系统4相连。微结构光纤是横截面为平行六边形的具有二维周期性结构的光子晶体光纤拉锥形成，在锥形段L的表面自内向外依次涂覆有金属膜和蛋白质高分子膜，所说的周期性结构由背景介质和周期性分布排列在背景介质中的介质棒组成。本例中，锥形传感段长度L为20～25mm，在锥形传感段表面沉积或蒸镀银膜，脲酶膜涂覆在银膜外，传感膜层厚度为4～6mm。

本发明的传感元件仅为一根锥形微结构光纤，由于微结构光纤二维周期性微结构拉锥收缩，使进入微结构光纤纤芯轴向传播的光波导模大部分成为泄漏模，大部分光功率进入二维周期性结构，相对于金属膜层的入射角随拉锥形状将发生连续的变化。金属膜层的折射率较小，由于全内反射，光线仍限制在光纤锥形区域，之后又返回微结构光纤纤芯轴向传播。

在拉锥传感段发生等离子共振时入射光波矢的平行分量K_x与等离子波波矢K_SPW相等，根据Maxwell方程和金属的复介电性，有：

$K_{\mathrm{SPW}}=K_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_s}}=K_x=\frac{{2\mathrm{\πn}}_0}{\mathrm{\λ}}\sin {\mathrm{\θ}}_0$

式中：K₀＝ω/c，为自由空间波矢，c和ω分别为光在真空中的速度和角频率；ε_m和ε_s分别为金属膜和水体样品的复介电常数；n₀为波导折射率，θ₀为光波入射角；λ为入射光波波长。改变入射光波长或入射角均可使K_SPW＝K_x，从而满足等离子共振条件。采用波长调制方法，当传感器的其它参数固定，被测样品的折射率一定时，某一光波长λ_SPR入射发生SPR效应，通过对波长的扫描，建立共振入射光波长λ与被测样品折射率n_s之间的关系。

表面等离子波(SPW)被激发的特征就是反射光强的大幅减弱。如果金属膜的厚度选得合适，那么几乎所有的入射光能都将转化为SPW的能量，使反射光强几乎为零，等离子体共振响应曲线如图3所示。对应共振波长λ_SPR，由标定得到R_SPR和对应的样品折射率n_s，最终得到样品中目标物质的浓度。

为了实现多种物质的同时检测，提高检测效率，微结构光纤可以采用多段分布式拉锥形状。图4所示为3段分布式拉锥形状。每个拉锥传感段涂覆不同的蛋白质高分子膜。因不同的目标物质具有不同的折射率，每个传感段响应相应折射率下的SPR效应。为使各段测试的信号有效地分离，通过调整锥形微结构光纤的各传感段膜层长度和膜层厚度来调整共振波长处的衰减损耗和共振波长的位置。

Claims (5)

1.一种等离子体共振微结构光纤传感器，其特征在于，包括：光源(1)、两根普通单模光纤(2、5)、微结构光纤(3)和光电探测器(4)，光源(1)、第一根普通单模光纤(2)、微结构光纤(3)、第二根普通单模光纤(5)和光电探测器(4)依次相连，微结构光纤是横截面为平行六边形的具有二维周期性结构的光子晶体光纤拉锥形成，在锥形段(L)的表面自内向外依次涂覆有金属膜和生物高分子膜，所说的周期性结构由背景介质和周期性分布排列在背景介质中的介质棒组成。

2.根据权利要求1所述的等离子体共振微结构光纤传感器，其特征在于，所说的背景介质是玻璃、塑料、聚合物或硅；介质棒是折射率比背景介质低的玻璃、塑料、聚合物、空气或硅。

3.根据权利要求1所述的等离子体共振微结构光纤传感器，其特征在于，所说的金属膜为银膜，金膜或铝膜。

4.根据权利要求1所述的等离子体共振微结构光纤传感器，其特征在于，所说的生物高分子膜是脲酶膜或1，6-二硫醇膜。

5.根据权利要求1所述的等离子体共振微结构光纤传感器，其特征在于，所说的微结构光纤为一段拉锥形状或多段分布式拉锥形状。

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