CN101545851B - 基于长周期光纤光栅的反射型光纤生化传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于长周期光纤光栅的反射型光纤生化传感器及制作方法。本发明包括规格相同并熔接在一起的光栅段光敏光纤和反射段光敏光纤。光栅段光敏光纤纤芯写入长周期光纤光栅。反射段光敏光纤与光栅段光敏光纤连接的一端的中心经氢氟酸溶液腐蚀形成向内凹陷的圆锥形的散射坑，散射坑底面的直径与反射段光敏光纤纤芯的直径相等。反射段光敏光纤另一端的端面镀有金属反射膜。本发明由于散射掉了纤芯中导模的传播，因而不会和在包层中传播的模式发生干涉，端面金属膜反射回来的光谱峰值单一。本发明具有结构简单、紧凑、测量方便以及成本低等优点。

Description

基于长周期光纤光栅的反射型光纤生化传感器及制作方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种利用长周期光纤光栅的光谱特性随光栅周围环境折射率的变化来实现生化传感检测的技术。具体涉及一种基于长周期光纤光栅的光谱峰值波长变化来测量折射率值的反射型光纤生化传感器及制作方法。

背景技术

光纤传感技术是在光纤光学和光纤通信技术发展基础上形成的一门新兴技术，是利用光纤或光纤型器件对外界某些物理量敏感的特性，将其转换成可以测量的信号的技术。光纤光栅是在光纤纤芯中沿着轴向折射率具有周期性调制的一种光纤型器件。它可以作为一种波长调制型光学传感器。它不仅继承了光纤传感器所有的抗电磁干扰、高灵敏度、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、适用于腐蚀性或危险性环境等优点，同时还具有波长编码、便于复用构成光纤传感网络等优点。出于生物化学传感器或生化探针等潜在需求，基于光纤光栅的折射率传感更是吸引了很大的应用前途。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性而在光纤纤芯内形成的一维周期性结构，其工作原理是在满足相位匹配条件的波长处发生模式间共振耦合。当光纤光栅所处环境的应变、温度等物理量发生变化时，如果该变化能引起光栅的周期或有效折射率也发生改变，从而使得光栅的共振波长发生变化，就可以通过测量共振波长的变化，获得待测物理量的变化情况。根据光纤光栅周期长短的不同，分为布拉格光纤光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPG)两大类。

布拉格光纤光栅的Bragg波长λ_B由下式决定：

λ_B＝2nΛ

式中，n为纤芯的有效折射率，Λ为光栅的周期。工作在光纤通信波段的FBG的周期一般是几百纳米，它是对传输于纤芯的基模的反向耦合。因此可以作为应力，温度等的反射式传感器。但传统的FBG对于环境折射率不敏感，不能用于制作生化传感器或生物探针。有人提出通过腐蚀或抛光等处理去掉光纤的包层，从而使纤芯导模能够感受到外界环境的折射率的变化。但去除了包层的光纤纤芯(普通单模光纤纤芯直径8μm左右)的机械强度大大降低，很难在实际中取得应用。

长周期光纤光栅的谐振波长λ_j可由下式给出：

${\mathrm{\λ}}_j=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff},j}^{\mathrm{cl}})\mathrm{\Λ}$

其中，n_eff ^co为纤芯导模的有效折射率，n_eff，j ^cl为第j阶包层膜的有效折射率，Λ为长周期光纤光栅的周期。LPG是把同向传输的基模耦合到包层模。包层模的有效折射率n_eff，j ^cl受到光纤外界折射率的影响，随着环境折射率的变化，LPG的谐振波长会产生对应的漂移。因此LPG不但具有比FBG高的温度，应力等灵敏性，更有其特有的对环境折射率的敏感性。

为了提高光纤光栅传感器的性能，人们提出了各种不同的基于长周期光纤光栅的传感器结构。常见的长周期光纤光栅传感装置结构是将一根刻有LPG的一端接到光源上，另一端接上光谱仪，当外界环境参数发生变化时，光谱仪上观察到的光谱也会发生变化，利用这个变化来检测出环境的变化。也有在同一根光纤上级联两个相同的LPG构成光纤内的干涉仪。基于长周期光纤光栅的传感器工作在透射模式，不能直接用于设计制作生化探针式传感器，也不利于传感器的组网复用。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于长周期光纤光栅的新型传感器，该传感器采用长周期光纤光栅和光纤端面镀反射镜，利用它的耦合波长可以检测外界折射率的变化，从而用于生化传感应用，本发明同时提供该传感器的制作方法。

本发明包括熔接的光栅段光敏光纤和反射段光敏光纤，光栅段光敏光纤和反射段光敏光纤采用相同规格的光敏光纤，即纤芯的直径相同、包层的规格相同。光栅段光敏光纤纤芯写有长周期光纤光栅。反射段光敏光纤与光栅段光敏光纤连接的一端的中心向内凹陷成散射坑，所述的散射坑为圆锥形，圆锥形散射坑与反射段光敏光纤同轴，并且圆锥形的底面的直径与反射段光敏光纤纤芯的直径相等。反射段光敏光纤另一端的端面镀有金属反射膜，金属反射膜的材料为铝、银或金中的一种。

该反射型光纤生化传感器制作方法包括以下步骤：

步骤(1).取一根光敏光纤作为光栅段光敏光纤，采用逐点写入技术在光栅段光敏光纤的纤芯写入长周期光纤光栅；

步骤(2).再取一根光敏光纤作为反射段光敏光纤，将反射段光敏光纤的一端切割后用丙酮和酒精将端面清洗干净，将清洗后的一端放入氢氟酸溶液里进行腐蚀，形成散射坑；该散射坑为圆锥形，圆锥形的底面的直径与反射段光敏光纤纤芯的直径相等；

步骤(3).将反射段光敏光纤带有散射坑的一端与光栅段光敏光纤的一端进行熔接；反射段光敏光纤纤芯与光栅段光敏光纤纤芯同轴，散射坑位于该轴上，用来散射光纤纤芯中导模的传播；

步骤(4).将反射段光敏光纤的另一端切割后采用溅射方法镀上金属反射膜。

本发明的生化传感器采用了长周期光纤光栅和光纤端面镀反射镜结构，同时纤芯设置有散射坑，散射掉了纤芯中导模的传播，因而不会和在包层中传播的模式发生干涉，端面金属膜反射回来的光谱峰值单一。该生化传感器存在一个和传统的长周期光纤光栅的损耗峰的光谱特性一样的反射峰值，因此工作在反射模式，对外界折射率变化具有较高的灵敏度。该传感器具有结构简单、紧凑、测量方便以及成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于长周期光纤光栅的反射型光纤生化传感器包括熔接的光栅段光敏光纤1和反射段光敏光纤2，光栅段光敏光纤1和反射段光敏光纤2采用相同规格的光敏光纤。光栅段光敏光纤纤芯7写有长周期光纤光栅6。反射段光敏光纤2与光栅段光敏光纤1连接的一端的中心向内凹陷成散射坑5。散射坑5为圆锥形，圆锥形散射坑5与反射段光敏光纤2同轴，并且圆锥形的底面的直径与反射段光敏光纤纤芯4的直径相等。反射段光敏光纤2另一端的端面镀有金属反射膜3。金属反射膜的材料可以是铝、银或金。

该反射型光纤生化传感器制作方法包括以下步骤：

步骤(1).取一根光敏光纤作为光栅段光敏光纤，采用逐点写入技术在光栅段光敏光纤的纤芯写入长周期光纤光栅；

步骤(2).再取一根光敏光纤作为反射段光敏光纤，将反射段光敏光纤的一端切割后用丙酮和酒精将端面清洗干净，将清洗后的一端放入氢氟酸溶液里进行腐蚀，形成散射坑；该散射坑为圆锥形，圆锥形的底面的直径与反射段光敏光纤纤芯的直径相等；

步骤(3).将反射段光敏光纤带有散射坑的一端与光栅段光敏光纤的一端进行熔接；反射段光敏光纤纤芯与光栅段光敏光纤纤芯同轴，散射坑位于该轴上，用来散射光纤纤芯中导模的传播；

步骤(4).将反射段光敏光纤的另一端切割后采用溅射方法镀上金属反射膜。

该反射型光纤生化传感器的工作原理是：宽带光源发射出来的光通过光纤进入光环行器的第一端口，经过光环行器从第二端口出来，进入到写有长周期光纤光栅的光纤上，在传播过程中遇到长周期光纤光栅后，符合共振波长匹配条件的那部分光经过长周期光纤光栅从纤芯耦合到进入包层。除了共振波长区域的其它光继续沿着光纤纤芯传播，并遇到光纤的纤芯的散射坑而被散射掉。耦合到包层膜的光在光纤包层中传播，受到散射坑的影响很少，再经过光纤末端端面金属反射膜反射回来后，再次经过长周期光纤光栅时被重新耦合进入光纤纤芯进行传播。由于在光纤的纤芯设置有散射坑，其它没有被耦合出包层的光波，将会在经过散射坑时被散射掉，从而不会反射回光探测器，耦合回光纤纤芯传播的共振波长区域的那部分光沿着光纤重新进入光环行器的第二端口，经过光环行器后从第三端口出来，通过光纤连接进入到光谱分析仪。由长周期光纤光栅的共振波长的式子 ${\mathrm{\λ}}_j=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff},j}^{\mathrm{cl}})\mathrm{\Λ}$ 可知，当作用于光栅的外界生物环境发生变化而引起光栅周围的折射率产生变化时，可以引起光纤纤芯和包层模式有效折射率差的改变，最终会引起耦合波长的变化。通过检测光栅耦合波长的漂移，就可以获得需要检测的生物环境动态变化信息。

Claims (2)

1.基于长周期光纤光栅的反射型光纤生化传感器，包括熔接的光栅段光敏光纤和反射段光敏光纤，光栅段光敏光纤和反射段光敏光纤为规格相同的光敏光纤，其特征在于：光栅段光敏光纤纤芯写有长周期光纤光栅；反射段光敏光纤与光栅段光敏光纤连接的一端的中心向内凹陷成散射坑，所述的散射坑为圆锥形，圆锥形散射坑与反射段光敏光纤同轴，并且圆锥形的底面的直径与反射段光敏光纤纤芯的直径相等；反射段光敏光纤另一端的端面镀有金属反射膜，金属反射膜的材料为铝、银或金中的一种。

2.制作反射型光纤生化传感器的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1).取一根光敏光纤作为光栅段光敏光纤，采用逐点写入技术在光栅段光敏光纤的纤芯写入长周期光纤光栅；

步骤(2).再取一根光敏光纤作为反射段光敏光纤，将反射段光敏光纤的一端切割后用丙酮和酒精将端面清洗干净，将清洗后的一端放入氢氟酸溶液里进行腐蚀，形成散射坑；该散射坑为圆锥形，圆锥形的底面的直径与反射段光敏光纤纤芯的直径相等；

步骤(3).将反射段光敏光纤带有散射坑的一端与光栅段光敏光纤的一端进行熔接；反射段光敏光纤纤芯与光栅段光敏光纤纤芯同轴，散射坑位于该轴上，用来散射光纤纤芯中导模的传播；

步骤(4).将反射段光敏光纤的另一端切割后采用溅射方法镀上金属反射膜。

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