CN102183487A - 一种基于spr镀金属膜双峰谐振液体传感器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SPR镀金属膜双峰谐振液体传感器的制造方法，该方法步骤为：1）刻制双峰长周期光纤光栅；2）确定金属膜镀制厚度；3）光纤光栅包层镀金属膜；4）传感头制作；5）双峰信号检测。本发明提供了一种小型化、高集成、可遥测的高灵敏镀膜光纤光栅液体传感器的制造方法，有效利用了金属膜与液体介质界面处的SPR效应以及光纤光栅双峰谐振效应，应用这种方法所制造的传感器，对检测液体具有很高的灵敏度，对液体折射率的测量分辨率可高达10^-7；由于它集中了SPR效应、双峰谐振效应及光纤光栅传感的优点，可望在光化学传感器中得到广泛的应用。

Description

一种基于SPR镀金属膜双峰谐振液体传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及液体传感器的制造方法，特别是涉及一种基于SPR镀金属膜双峰谐振长周期光纤光栅液体传感器的制造方法。

背景技术

自1982年表面等离子体子共振(surface plasmon resonance，SPR)技术首次用于化学传感器研究领域以来，SPR传感器逐渐成为国际传感器领域的研究热点。棱镜式、光栅式和波导式SPR传感器应运而生并得到了广泛应用。尤其是光纤SPR传感器，具有体积小、操作简单、可实现在线实时远距离检测和监测等优点，得到了广泛的关注，开创了SPR传感器研究和应用的新局面。

长周期光纤光栅（long-period fiber grating, LPFG）是光致纤芯折射率变化光纤器件。与短周期光纤光栅（即Bragg光纤光栅）相比，LPFG对包层周围介质的折射率变化尤其敏感，分辨率可达10^-5，因此可用作环境折射率传感器。目前主要应用于溶液浓度测量，特别在石油工业中监控与检测得到广泛应用，其探测分辨率可与液体层析仪和紫外光谱仪相比拟。上述使用的LPFG，都是直接沉浸在液体等外部介质中。只有外部环境折射率小于或等于光纤包层的折射率时才有较高的灵敏度，这就在很大程度上限制了其在化学检测方面的应用。

近几年，随着光纤光栅在通信和传感领域的研究不断深入，国外已开始关注光纤光栅SPR传感器的研究，但其大部分研究是基于Bragg光纤光栅。学者们从理论上分析了Bragg光纤光栅SPR结构的传感原理，指出在光纤SPR传感器中刻制倾斜Bragg光栅，通过改变光栅倾斜方向可提高纤芯模式与表面等离子体模式的耦合效率，并对这种倾斜Bragg光栅SPR结构进行了实验研究，并探测到明显的SPR效应。

对于镀金属薄膜的LPFG，国外早期曾有利用金属镀层进行温度和应变调节，用以改变LPFG谐振波长的报道；国内的理论研究主要集中在厚金属膜层LPFG复特征方程的求解及镀薄金属膜LPFG传感器的耦合特点和透射特性，但对其中的SPR与长周期光纤光栅包层模之间的相互作用，以及镀金属膜长周期光纤光栅SPR传感器的结构优化设计也没有涉及，而这正是设计高灵敏度传感器所必须的理论基础。

随着LPFG理论的深入研究，一种双峰谐振现象引起了极大关注。双峰谐振是指当长周期光纤光栅的周期较短时，对于某些次数较高的包层模，会出现两个损耗峰，对应着两个谐振波长。当外界折射率变化时，两谐振峰有相反的波长漂移特性。利用这一特性，有人提出了利用双峰之间的间距进行传感，用以检测液体浓度或折射率的变化的方案，并分别用于测量酒精溶液浓度和蔗糖溶液浓度。在0~100%范围内，LP₀₁₅模的双谐振峰的间距随酒精浓度变化的趋势与折射率随浓度变化的趋势非常一致，双谐振峰的间距可以准确地反映出浓度变化或折射率地变化，其灵敏度比利用单个高阶模损耗峰的方案高出一个数量级，而测量蔗糖溶液浓度时，对折射率的分辨率可达4.8×10^-5。我们曾率先对镀膜LPFG双峰谐振现象进行了深入的研究，且基于此机理，提出了一种基于双峰谐振镀膜光纤光栅气敏传感器的制造方法（ZL200710037525.2），此类气敏传感器具有很高的灵敏度。

通过对镀金属膜SPR长周期光纤光栅的谐振特性分析，我们发现：当镀金属膜长周期光纤光栅的周期较短时，某些次数较高的包层模式同样对应于2个谐振峰，并且双谐振峰在外界折射率变化时也有相反的波长漂移特性，由于金属膜与环境介质界面处存在的SPR效应对长周期光纤光栅透射谱的作用明显，这种结构的传感器对外界环境的变化更为敏感。

然而，现有的长周期光纤光栅液体传感器，其工作原理正如上述介绍的往往都是基于无镀膜LPFG对折射率的灵敏性，即便利用了双峰谐振效应提高灵敏度，也不能摆脱待测液体折射率必须低于包层折射率的限制；而近年关注的镀金属LPFG可以扩大液体折射率测量范围，具有较高的灵敏度，但由于其只是单纯利用了SPR效应，未能将长周期光纤光栅结构及SPR效应的优势充分发挥出来。如果将镀金属膜LPFG中的SPR效应与周期较短的LPFG中的双峰谐振效应结合起来，用于构筑一种环境监测的液体传感器，则不但可以利用LPFG折射率灵敏度高、而且可以充分利用SPR与双峰谐振对环境变化的敏感性，能够实现高灵敏度传感方案。但是目前关于基于SPR效应的镀金属膜双峰谐振长周期光纤光栅液体折射率（或浓度）传感的研究至今尚未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是将镀金属膜LPFG中的SPR效应与周期较短的LPFG中的双峰谐振效应结合起来，提供一种不但可以利用LPFG折射率灵敏度高、而且可以充分利用SPR与双峰谐振对环境变化的敏感性，能够实现高灵敏度传感方案的基于SPR镀金属膜双峰谐振长周期光纤光栅液体传感器的制造方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于SPR镀金属膜双峰谐振液体传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）刻制双峰长周期光纤光栅：

刻制双峰长周期光纤光栅的具体方法是：a）根据耦合模理论，由模拟给出的谐振波长与光栅周期关系曲线，选定在光纤宽带光源波长在1250~1650nm内出现两谐振波长时对应的光栅周期作为刻制光栅的周期；b）采用逐点写入法，在预先载氢的光纤上按照上述选定的光栅周期刻制双峰长周期光纤光栅，再在恒温炉中进行退火，以提高写入光栅的稳定性；

2）确定金属膜镀制厚度：

确定金属膜镀制厚度的具体方法是：a）描绘出双峰谐振波长间距的变化率与溶液折射率变化率之比的灵敏度S _n 与溶液折射率和金属膜厚度之间关系的三维曲面图；b）根据三维曲面图作出灵敏度S _n ＝10的等高线，根据监测液体的折射率随液体浓度在其附近波动的参考值，确定灵敏度高于10所要求的金属膜厚度；

3）光纤光栅包层镀金属膜：

光纤光栅包层镀金属膜的具体方法是：采用真空溅射法在刻制好的双峰长周期光纤光栅上镀制金属膜。膜厚通过晶振法控制，为保证柱形光纤包层表面镀制的金属膜厚度均匀，光纤固定在镀膜机内的“行星”夹具上，使光纤不仅绕夹具的中心轴公转，而且以更大的转速绕其中心轴自转；

4）传感头制作：

传感头制作的具体方法是：采用小型渐变折射率透镜，即自聚焦透镜，保持两自聚焦透镜相隔一定距离，准直后固定在铝条上，构成传感头；

5）双峰信号检测：

双峰信号检测的具体方法是：a）根据双峰谐振波长分别选择两块窄带滤光片置于传感头后；b）传感头与液体接触后，将双峰偏移后检测到的信号分别与初始信号进行差分比较；c）差分比较后的信号输出至加法器，再与参考信号经比较器比较后触发报警电路。

利用本发明提供的基于SPR镀金属膜双峰谐振长周期光纤光栅液体传感器的制造方法，通过在光纤包层外镀制一层金属薄膜，利用金属薄膜与外界介质（液体）界面处的SPR效应，以及双峰谐振效应，用于对待测液体的高灵敏检测。该传感器与待测液体接触时，液体浓度的微小变化带来其折射率的变化，从而引起SPR共振条件及双峰谐振波长的变化，致使双谐振峰的间距明显变化。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：镀制的金属膜与液体介质界面处的表面等离子体波的波矢大小与液体折射率密切相关，液体折射率的微小变化将影响光纤光栅包层模与表面等离子体波共振条件，引起共振峰（在光纤光栅中也称为谐振峰）的明显偏移。当使用刻制好的双峰长周期光纤光栅时，则会出现双峰谐振效应，两个谐振峰的中心波长将沿着两个相反的方向明显偏移，双峰间距变化大，因此具有很高的折射率灵敏度，非常适合于高灵敏的液体折射率（或浓度）检测。

镀膜光纤光栅液体传感器与传统电导式液体传感器相比，具有抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高、线性度好、响应快等优点；由于无电接触，它特别适合于检测易挥发、易燃的液体。特别是在石油化工系统、加油站、液化汽站、飞机场、有机溶剂化工厂等场所，需要监测汽油、柴油、煤油、甲醇、乙醇、苯、醚、酮、 酯等多种有机溶剂的液态物质，采用电导式传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故。而与光纤技术结合的光纤化学薄膜传感器，具有电绝缘性能好，传输信息容量大，能量损耗低，抗干扰性能好，环境适应性强，耐高温、防腐蚀，重量轻，柔软性能好，可以沿弯曲的路径传输光信号、成本低等优点。

因此这种集SPR与双峰谐振效应及光纤光栅优点于一身的传感器具有优异的性能，可实现远距离遥测、在线实时监控，并且可以制成性能价格比高的小型化器件，有望成为新一代的高灵敏度光化学液体传感器。本方法有效利用了金属膜与液体介质界面处的SPR效应以及光纤光栅双峰谐振效应，应用这种方法所制造的传感器，对检测液体具有很高的灵敏度，对液体折射率的测量分辨率可高达10^-7。由于它集中了SPR效应、双峰谐振效应及光纤光栅传感的优点，可望在光化学传感器中得到广泛的应用。

附图说明

图1是本发明实施例中绘制的谐振波长与光栅周期的关系示意图；

图2是本发明实施例中绘制的灵敏度等高线对应的金膜厚度、液体折射率范围示意图；

图3是本发明实施例光纤光栅二甲苯液体传感器检测系统框图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

为了将基于SPR效应的镀金属膜长周期光纤光栅透射谱中双峰间距的变化最大限度地表现出来，必须选择合适的光栅周期及金属膜厚，以提高传感器对液体折射率（或浓度）的监测灵敏度。因此，需要有一种新型镀金属膜长周期光纤光栅传感器制造方法。光纤光栅液体传感器与传统电导式液体传感器相比，它具有抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高、响应快的特点；由于无电接触，它特别适合于检测易燃、易挥发的液体。利用光纤光栅几何形状多方面的适应性，可以做成任意形状的传感器和传感器阵列，制成传感不同物理量的多功能传感器。进一步与光纤遥测技术相配合，可实现远距离测量和控制。由于它集中了薄膜传感器和光纤光栅传感器的优点，有望在光化学传感器中得到广泛的应用。

本发明实施例所提供的一种基于SPR镀金属膜双峰谐振液体传感器的制造方法，其步骤如下：

1）刻制双峰长周期光纤光栅：

其具体方法是：a）对于普通单模光纤，给定刻制的光纤光栅长度及折变量，在光纤宽带光源波长1250~1650nm内选取连续变化的值，代入长周期光纤光栅包层模耦合的相位匹配条件，则能够满足该条件的波长称为谐振波长。当包层模次数较高时，可能出现两个波长同时满足相位匹配条件，称双峰谐振现象，这两个波长值即为双峰谐振中心波长。选取不同的光栅周期，绘制出谐振波长与光栅周期之间的关系曲线，确定在1250~1650nm内能出现双峰谐振现象时对应的光栅周期。b）将预先载氢的光纤除去涂覆层的部分固定在精密移动平台上，利用准分子激光器，通过逐点写入法刻写光栅。精密移动平台由计算机控制步长和移动时间间隔，以达到控制光栅周期和曝光时间的要求。写入光栅后，将该段光纤光栅置于恒温炉中进行退火，以提高写入光栅的稳定性。

2）确定金属膜镀制厚度：

确定金属膜镀制厚度的具体方法是：a）描绘出双峰谐振波长间距的变化率与溶液折射率变化率之比的灵敏度S _n 与溶液折射率和金属膜厚度之间关系的三维曲面图；b）根据三维曲面图作出灵敏度S _n ＝10的等高线，根据监测液体的折射率随液体浓度在其附近波动的参考值，确定灵敏度高于10所要求的金属膜厚度；

3）光纤光栅包层镀金属膜：

其具体方法是：采用真空溅射法在刻制好的双峰长周期光纤光栅上镀制金属膜。膜厚通过晶振法控制。为保证柱形光纤包层表面镀制的金属膜厚度均匀，光纤固定在镀膜机内的“行星”夹具上，使光纤不仅绕夹具的中心轴公转，而且以更大的转速绕其中心轴自转。

4）传感头制作，其具体方法是：采用小型渐变折射率透镜，即自聚焦透镜，保持两自聚焦透镜相隔一定距离，准直后固定在铝条上，构成传感头。这种结构不但克服了温度稳定性、抗震性能不佳等问题，同时由于自聚焦透镜与光纤匹配好，且传输光纤和透镜尾纤可直接熔接，大大改善了耦合的稳定性；

5）双峰信号检测，其具体方法是：a）根据双峰谐振波长分别选择两块窄带滤光片；b）传感头与待测液体作用后，将引起双峰中心波长沿相反方向偏移，此时经滤光片（偏移）后检测到的信号分别与初始信号进行差分比较；c）输出信号至加法器，再与参考信号经比较器比较后触发报警电路。

本发明的具体实施例之一是：

1．传感器的制作

选择美国康宁公司（Corning）提供的SMF-28光纤，刻制长度L=3.0cm的光纤光栅。

对给定的光纤及光栅参量，在光纤宽带光源波长1250~1650nm内，绘制出谐振波长与光栅周期之间的关系曲线如图1，选定在1250~1650nm内能出现双峰谐振现象时对应的光栅周期179                                               

m，并记录下对应的双峰谐振波长1470nm及1610nm。

采用逐点写入法在预先载氢的上述光纤上刻写光栅周期为179

m的光栅，写入光栅后，将该段光纤光栅置于120℃的恒温炉中退火12小时，以提高写入光栅的稳定性。

选择金作为镀制的金属材料，根据给定光纤参数、刻制光栅参数与金折射率，理论计算传感器灵敏度与金膜厚度、液体折射率的关系，并绘制三维曲面图，作出灵敏度为10的等高线如图2。图中的等高线区域为灵敏度高于10所对应的金膜厚度与液体折射率范围。选择镀制金膜厚度为40nm左右，则对折射率在1.43附近的液体检测具有很高的灵敏度。

采用真空溅射法镀制金膜。将刻制好的双峰光纤光栅固定在镀膜机内的“行星”夹具上，镀制厚度为40nm左右的金膜。金膜厚度通过晶振法控制。

根据图1记录的双峰谐振波长1470nm和1610nm，选择此作为检测系统中两块窄带滤光片的中心波长。

利用上述涂膜光纤光栅及自聚焦透镜等装配传感头。

2．传感器实现方式

以二甲苯液体传感器为例，说明新型传感器检测二甲苯酒精溶液的浓度（或折射率）。

检测系统结构如图3所示，选取LED宽带光源作为检测用光源。为了进行同步检测，LED 由占空比为50 %、重复频率为110 Hz 的电流脉冲调制，同时调制脉冲输入锁相放大器，锁相放大器对来自于光电探测器的信号进行放大。光电探测器中采用InGaAs 和PbS红外探测器分别对双谐振峰进行探测。用温控装置使器件恒温，以消除光源及环境温度波动带来的影响。

将传感头置于二甲苯酒精溶液中，其浓度可由二甲苯酒精不同体积混合比决定。    当溶液浓度发生微小改变时，原来透射谱的两个衰减峰的中心波长将发生漂移，同时原中心波长附近的透过率也发生显著变化，经滤光片的光信号明显减弱，减弱的幅度与双谐振峰偏移量近似呈线性关系。偏移量的大小随液体浓度（或折射率）的增加而增大。两路输出的信号经差分比较后在送入加法器，输出信号送至报警电路。一旦二甲苯浓度超出允许的极限浓度，则触发报警。

Claims (1)

1.一种基于SPR镀金属膜双峰谐振液体传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤： 

1）刻制双峰长周期光纤光栅：

刻制双峰长周期光纤光栅的具体方法是：a）根据耦合模理论，由模拟给出的谐振波长与光栅周期关系曲线，选定在光纤宽带光源波长在1250~1650nm内出现两谐振波长时对应的光栅周期作为刻制光栅的周期；b）采用逐点写入法，在预先载氢的光纤上按照上述选定的光栅周期刻制双峰长周期光纤光栅，再在恒温炉中进行退火，以提高写入光栅的稳定性；

2）确定金属膜镀制厚度：

确定金属膜镀制厚度的具体方法是：a）描绘出双峰谐振波长间距的变化率与溶液折射率变化率之比的灵敏度S _n 与溶液折射率和金属膜厚度之间关系的三维曲面图；b）根据三维曲面图作出灵敏度S _n ＝10的等高线，根据监测液体的折射率随液体浓度在其附近波动的参考值，确定灵敏度高于10所要求的金属膜厚度；

3）光纤光栅包层镀金属膜：

光纤光栅包层镀金属膜的具体方法是：采用真空溅射法在刻制好的双峰长周期光纤光栅上镀制金属膜；膜厚通过晶振法控制，为保证柱形光纤包层表面镀制的金属膜厚度均匀，光纤固定在镀膜机内的“行星”夹具上，使光纤不仅绕夹具的中心轴公转，而且以更大的转速绕其中心轴自转；

4）传感头制作：

传感头制作的具体方法是：采用小型渐变折射率透镜，即自聚焦透镜，保持两自聚焦透镜相隔一定距离，准直后固定在铝条上，构成传感头；

5）双峰信号检测：

双峰信号检测的具体方法是：a）根据双峰谐振波长分别选择两块窄带滤光片置于传感头后；b）传感头与液体接触后，将双峰偏移后检测到的信号分别与初始信号进行差分比较；c）差分比较后的信号输出至加法器，再与参考信号经比较器比较后触发报警电路。

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