CN101871886A - 一种折射率传感器制作方法及折射率传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种折射率传感器制作方法及折射率传感装置。传统的传感器测量精度低、使用寿命低。本发明折射率传感器制作方法是在倾斜光纤光栅周向表面利用离子溅射镀膜方法镀上金膜，本发明中的折射率传感装置包括宽带光源、起偏器、偏振控制器、折射率传感器，解调仪和计算机处理系统。带宽为80nm～100nm宽带光源发出的光经起偏器和偏振控制器进入折射率传感器，经折射率传感器的透射光谱输入到波长解调仪，通过波长解调仪得到的等离子体共振波长和布拉格波长送入计算机处理系统。本发明传感器能大大提高折射率传感的灵敏度。同时利用倾斜光纤光栅自身的布拉格波长，可以用做温度参考信号，实时补偿折射率测量时环境温度变化的影响。

Description

一种折射率传感器制作方法及折射率传感装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种折射率传感器，尤其涉及一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的折射率传感器及利用该传感器测量折射率的传感装置。

背景技术

通过折射率测量来实现对各种化学量的传感如溶液浓度，土壤湿度，生化传感中的各种蛋白质或抗体种类及含量是最直接有效的途径，也是各行业相关领域的研究热点。

基于光纤光栅的折射率传感器在生物和化学传感领域有着广泛的应用，其中包括长周期光栅和布拉格光栅。长周期光纤光栅由于其包层模耦合机制，外界折射率变化会直接影响包层模式的倏逝场，从而引起其透射谱损耗峰值或共振波长发生变化，所以长周期光栅可以直接用来测量外界折射率的变化。利用化学腐蚀减小光纤半径、镀上一层高折射率的薄膜或者利用两个长周期光栅组成的光纤干涉仪等都是用来提高折射率传感灵敏度的方法。其缺点是长周期光栅不仅对外界折射率敏感，而且对温度、弯曲等都很敏感，测量时容易受周围环境条件变化的影响。

而利用布拉格光栅进行折射率传感时，必须通过适当的工艺处理使其芯层导模能够通过倏逝波的作用感应到外界折射率的变化。现有的方法有：1、利用化学方法腐蚀布拉格光栅使其包层直径到几个微米；2、利用侧边磨抛技术磨去光纤一侧的包层，纤芯离磨抛后的包层表面距离小于1微米；3、利用倾斜光纤光栅的包层模直接测量折射率，其折射率传感分辨率大约为1×10^-4。基于布拉格光栅的折射率传感器缺点在于使用腐蚀或者磨抛等辅助工艺，降低了传感器的机械性能，从而影响使用寿命；同时分辨率不高也是这类传感器的一个局限。

另一方面，发展较为成熟的相关技术是表面等离子体共振传感技术。早期的表面等离子体共振传感器是基于棱镜结构，体积较大，不易于集成化。目前研究热点转移到基于光纤型的表面等离子体共振传感器，一般可以结合光纤拉锥，侧边磨抛以及多模光纤等技术来实现。中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室、清华大学生物技术系生物膜重点实验室、南开大学信息技术科学学院等多家单位都在开展表面等离子体共振传感系统的研究。产业化方面，瑞典Phamacia公司的基于棱镜结构的表面等离子体共振Biacore系列产品已占据国际市场主导地位，美国TI公司、英国的Iasys公司、以及日本、德国等国家也先后推出了自己的产品。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的折射率传感器制作方法及利用该传感器测量折射率的传感装置。

本发明中的折射率传感器制作方法是在倾斜光纤光栅周向表面利用离子溅射镀膜方法镀上金膜。

所述的倾斜光纤光栅倾斜角度为4°～10°；

所述的金膜膜厚为20nm～50nm。

本发明中的折射率传感装置包括宽带光源、起偏器、偏振控制器、折射率传感器，解调仪和计算机处理系统。

带宽为80nm～100nm宽带光源发出的光经起偏器和偏振控制器进入折射率传感器，经折射率传感器的透射光谱输入到波长解调仪，通过波长解调仪得到的等离子体共振波长和布拉格波长送入计算机处理系统。

本发明具有的有益效果：该折射率传感器能大大提高折射率传感的灵敏度。同时利用倾斜光纤光栅自身的布拉格波长，可以用做温度参考信号，实时补偿折射率测量时环境温度变化的影响。

附图说明

图1是本发明制作得到的折射率传感器结构示意图；

图2是本发明中折射率传感装置结构示意图；

图3是本发明中折射率传感器输出的透射光谱图实例。

具体实施方式

如图1所示，在光纤上刻制倾斜光纤光栅1，其倾斜角度为4°～10°。然后用离子溅射方法在倾斜光栅上镀上一层金膜2，金膜厚在20nm～50nm之间，这样就形成了折射率传感器。

如图2所示，带宽为80nm～100nm的宽带光源3发出的光经起偏器4和偏振控制器5进入到折射率传感器6，其透射光谱输入到波长解调仪7检测。波长解调仪7测到的等离子体共振波长和布拉格波长送入计算机处理系统8进行处理，可以实现对环境温度变化进行补偿并且给出相应的溶液折射率。

下面根据传感器的输出光谱实例来详细说明等离子共振波长的确定方法及环境温度变化补偿方法。

如图3所示，倾斜光纤光栅透射谱上虚线圈出部分包层模式的上包络即为表面等离子体共振谱。由于包络谱很宽，不易于确定其共振波长。本发明中选用损耗峰左侧几个包层模式的峰值波长进行线性拟合并延长到给定的损耗值(此处取-4.5dB)产生交叉点，其对应的波长来表示表面等离子体共振波长。另外，测量前先对温度变化引起的表面等离子共振波长变化进行标定。进行折射率测量时，根据倾斜光纤光栅的布拉格波长漂移来确定当前的环境温度，再代入先前标定的值就可以补偿温度变化对折射率测量的影响，最后获得的折射率测量精度可以达到1×10^-6。

根据波导耦合理论，表面等离子体波的有效折射率可以表示为

$N_{\mathrm{sp}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_M\×{\mathrm{\ϵ}}_D}{{\mathrm{\ϵ}}_M+{\mathrm{\ϵ}}_D}}---\left(1\right)$

其中ε_M为金的介电常数，ε_D＝(n_ext)²为被测溶液的介电常数，n_ext被测溶液的折射率，可见表面等离子体的有效折射率是与被测溶液的折射率相关的。

根据耦合模理论，倾斜光纤光栅耦合出来的各阶模式的峰值波长表示为

λ_clad＝(N_eff(core)+N_eff(clad))×Λ/cos(θ)  (2)

其中Λ为光栅的周期，θ光栅平面相对轴向的倾斜角度，N_eff(core)是纤芯模有效折射率，N_eff(clad)为包层模式的有效折射率。当表面等离子体的有效折射率等于倾斜光栅某个包层模式的有效折射率，即N_sp＝N_eff(clad)时，从倾斜光栅的透射谱上看，该包层模式附近的几个共振峰会产生很大的损耗。通过测量这几个峰值波长的漂移，就可以获得当前被测溶液的折射率。

另外测量中需要选用波长范围能同时覆盖倾斜光栅等离子体共振区域和布拉格波长的宽带光源。通过光起偏器和偏振控制器产生偏振光并调节偏振角度，然后输入到传感倾斜光纤光栅中，其透射光信号进入波长解调仪进行检测，然后送入计算机处理系统进行处理。最后给出经过补偿环境温度变化后的相应的溶液折射率。

上述实例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种折射率传感器制作方法，其特征在于：

该方法是在倾斜光纤光栅周向表面利用离子溅射镀膜方法镀上金膜；

所述的倾斜光纤光栅倾斜角度为4°～10°；

所述的金膜膜厚为20nm～50nm。

2.一种折射率传感装置，包括宽带光源、起偏器、偏振控制器、折射率传感器，解调仪和计算机处理系统，其特征在于：宽带光源发出的光经起偏器和偏振控制器进入折射率传感器，经折射率传感器的透射光谱输入到波长解调仪，通过波长解调仪得到的等离子体共振波长和布拉格波长送入计算机处理系统。

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