CN102809388A - 光纤探针传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤探针传感器，所述光纤探针传感器包括由内至外依次为加工段纤芯、贵金属膜和贵金属纳米结构的加工段，该光纤探针传感器利用金属薄膜的表面等离子体共振和贵金属纳米结构独有的局域表面等离子体共振的原理，并配合纤芯上具有周期性的光栅来增强传感信号，且能够通过对所述贵金属纳米结构尺寸、形状及材料的控制来实现对所述光纤探针传感器的光谱的调整。本发明实施例公开的光纤探针传感器，具有结构简单、体积小的特点，同时具备高灵敏度，能够满足不同领域对光信号的在线分析、实时分析和活体分析等工作的要求。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，更具体的说，是涉及一种光纤探针传感器。
背景技术
随着各领域科学技术的深入发展，对一些细微弱小信号或特征的发现和检测，往往会给本领域技术带来质的飞跃，因此对未知信息的探测和发现越来越受到各领域技术人员的高度关注。而在当今社会中，对各种信号的检测和测量，通常都是采用各种各样的传感器来实现的。
在光学信号测量领域，棱镜型表面等离子体共振传感器因其灵敏度高、稳定性好和响应速度快等特点，在医学、生物、环境和食品检测等诸多领域得到广泛的应用，并已逐渐走向成熟。但是，棱镜型表面等离子体共振传感器因其结构复杂、体积庞大，不适宜便携式测量；且在一些高精密工作场合，无法得到正常应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光纤探针传感器，以克服现有技术中棱镜型表面等离子体共振传感器体积大、不适宜便携式测量和应用范围小的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光纤探针传感器，包括接头、光纤段和加工段；所述光纤段和所述接头连接，所述加工段由内至外依次包括加工段纤芯、贵金属膜和贵金属纳米结构；所述加工段纤芯和光纤段的纤芯为一体式纤芯；所述加工段纤芯上具有周期性的光栅；所述加工段纤芯的顶端设置有顶端贵金属膜。
其中，所述贵金属膜和顶端贵金属膜为相同材质。
可选的，所述光纤段纤芯和所述加工段纤芯为多模光纤。
可选的，所述加工段纤芯的直径为400-600微米，所述光栅的周期为350-1000微米。
可选的，所述贵金属膜的厚度为10-20纳米；所述顶端贵金属膜的厚度为200纳米。
可选的，所述加工段纤芯的长度为5毫米。
可选的，所述贵金属为金、银或铜。
可选的，所述贵金属纳米结构为金属纳米棒，所述贵金属纳米棒采用氨丙基三甲氧基硅烷均匀的固化在所述贵金属膜的表面。
可选的，所述贵金属纳米棒的短轴长度为10-20纳米，长轴长度为10-80纳米。
可选的，所述接头为SMA905连接器。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明实施例公开了一种光纤探针传感器，所述光纤探针传感器利用贵金属薄膜的表面等离子体共振和贵金属纳米结构独有的局域表面等离子体共振原理，并配合纤芯上具有周期性的光栅，增强传感信号，且通过对所述贵金属纳米结构尺寸、形状及周围介电环境的控制来实现对所述光纤探针传感器的光谱的调整。本发明实施例公开的光纤探针传感器，具有结构简单、体积小的特点，且具有高灵敏度，能够满足不同领域对光信号的在线分析、实时分析和活体分析等工作要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的光纤探针传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的光纤探针传感器的应用示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例公开的光纤探针传感器的结构示意图，参见图1所示，所述光纤探针传感器可以包括：接头1、光纤段2和加工段3；所述光纤段2和所述接头1连接，所述加工段3由内至外依次包括加工段纤芯31、贵金属膜32和贵金属纳米结构33；所述加工段纤芯31和光纤段的纤芯为一体式纤芯；所述加工段纤芯上具有周期性的光栅34；所述加工段纤芯31的顶端设置有顶端贵金属膜35。
其中，所述贵金属膜32和所述顶端贵金属膜35可以是贵金属材质，包括所述贵金属纳米结构，都可以是金、银、或铜。所述贵金属膜32和顶端贵金属膜35为相同材质，例如金。所述贵金属膜32可以通过磁控溅射或真空镀膜的方法来制作，由于所述贵金属膜32是在有光源时，用来作为基座产生倏逝波的，考虑其实际应用作用，其厚度可以设置在10-20纳米之间。相同的，所述顶端贵金属膜35也可以通过磁控溅射或真空镀膜的方法来制作；在加工段纤芯31的顶端设置该顶端贵金属膜35的目的是将其作为反射镜，可将所述贵金属纳米结构33和所述贵金属膜32产生的电磁信号反射到加工段纤芯31中，由所述加工段纤芯31和光纤段的纤芯将所述光谱信号传输至相关的检测装置，实现了同一个光纤产生和收集探测信号。所述顶端贵金属膜35作为反射镜，其厚度要比所述贵金属膜32厚，其厚度可以是200纳米。所述贵金属膜32和顶端贵金属膜35的厚度可以通过调节镀膜时间、真空压力和镀膜速度等参数来控制。
其中，所述加工段纤芯31和光纤段的纤芯可以为多模光纤。所述加工段纤芯31的直径范围可以是400-600微米，长度可以为5毫米。当然，本实施例中并不对所述加工段纤芯31的长度做固定限制，其长度也可以是4毫米或6毫米。
所述光纤段2即为普通的光纤，由内至外依次包括纤芯、光纤包层和光纤涂覆层。在所述加工段即只包含纤芯，不包括光纤包层和光纤涂覆层。
其中，所述光栅34可以由飞秒激光器再所述加工段纤芯31上制作，其周期范围可以是350-1000微米。在所述加工段纤芯31上制作光栅34，并镀上贵金属膜32。基于渗透到周期性光栅的倏逝波理论，当周期性的改变纤芯的直径制作光栅时，随着纤径的减少，对光的束缚能力就会下降，从而在所述就加工段纤芯31的表面产生倏逝波。通过所述加工段纤芯31中产生全内反射在所述贵金属膜32上激发表面等离子体共振波，从而使得所述贵金属膜32表面的电磁场增强。
贵金属纳米结构具有局域表面等离子体共振的光学特征，其对纳米颗粒的尺寸、形状、材料及周围介电环境极为敏感，因此，通过改变其中任意一个参数就可以调制纳米颗粒的局域表面等离子体共振频率。通过观察纳米颗粒的散射光谱、吸收光谱或消光光谱可以观察局域表面等离子体的共振频率，从而实现观察纳米颗粒的尺寸、形状、材料及周围介电环境对纳米颗粒光学特性的影响。
本实施例中的所述贵金属纳米结构33可以通过化学方法制备。通过离心、化学清洗和筛选，获得符合要求的金属纳米结构。所述金属纳米结构可以是金属纳米棒，其短轴长度范围可以是10-20纳米，长轴长度可以是10-80纳米。由于贵金属纳米结构的形状、尺寸和材料的变化都会使得光谱信号发生变化，因此，本实施例中并不对贵金属纳米结构的形状和尺寸做固定性限制，在实际应用中，可根据需要对贵金属纳米结构的尺寸和形状进行控制，从而达到调制光谱信号的目的。
其中，所述贵金属纳米结构33可以采用氨丙基三甲氧基硅烷均匀的固化在所述贵金属膜32的表面。将所述贵金属纳米结构33固化在所述贵金属膜32上，可以使得所述光纤探针传感器同时达到光谱可调制和通过局域增强的电磁场增强传感信号的目的。前面提到利用所述贵金属膜32作为基座产生倏逝波，倏逝波能够激发所述贵金属膜32上表面等离子体共振波，所述贵金属纳米结构33可以被所述倏逝波和表面等离子共振波共同激发，产生局域表面等离子体共振信号，从而所述贵金属纳米结构33表面的电磁场增强，同时也提高了传感器探测的灵敏度。
其中，所述接口1可以为SMA905连接器，当然也可以是SMA系列的其他型号的连接器，也可以是其他系列的连接器。
在实际情况中，所述光纤探针传感器的应用可参见图2所示，图2为本发明实施例公开的光纤探针传感器的应用示意图，可结合图2理解下述过程。
在图2中，21为宽带白光光源，22为光纤光谱仪，23为光纤探针传感器，24为溶液介质，上述各物体之间通过Y型光纤耦合器25a、25b和25c进行连接，光纤耦合器25b和光纤探针传感器连接，光纤探针传感器23插入溶液介质24中。
在工作过程中，宽带白光光源21产生的白光通过Y型光纤耦合器25a和25b进入光纤探针传感器23，白光激发光纤探针传感器23上与溶液介质24接触的贵金属膜和贵金属纳米结构，产生等离子体共振波，所述等离子体共振波由所述光纤探针传感器23传回，经过Y型光纤耦合器25b和25c进入光纤光谱仪22，由所述光纤光谱仪22接收所述等离子体共振波并进行测量。
本实施例中，所述光纤探针传感器利用金属薄膜的表面等离子体共振和贵金属纳米结构独有的局域表面等离子体共振原理，并配合纤芯上具有周期性的光栅，增强传感信号，且通过对所述贵金属纳米结构尺寸、形状及周围介电环境的控制来实现对所述光纤探针传感器的光谱的调整。本发明实施例公开的光纤探针传感器，具有结构简单、体积小的特点，且具有高灵敏度，能够满足不同领域对光信号的在线分析、实时分析和活体分析等工作要求。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种光纤探针传感器，其特征在于，包括接头、光纤段和加工段；所述光纤段和所述接头连接，所述加工段由内至外依次包括加工段纤芯、贵金属膜和贵金属纳米结构；所述加工段纤芯和光纤段的纤芯为一体式纤芯；所述加工段纤芯上具有周期性的光栅；所述加工段纤芯的顶端设置有顶端贵金属膜。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述贵金属膜和顶端贵金属膜为相同材质。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述光纤段纤芯和所述加工段纤芯为多模光纤。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述加工段纤芯的直径为400-600微米，所述光栅的周期为350-1000微米。
5.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述贵金属膜的厚度为10-20纳米；所述顶端贵金属膜的厚度为200纳米。
6.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述加工段纤芯的长度为5毫米。
7.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述贵金属为金、银或铜。
8.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述贵金属纳米结构为金属纳米棒，所述贵金属纳米棒采用氨丙基三甲氧基硅烷均匀的固化在所述贵金属膜的表面。
9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述贵金属纳米棒的短轴长度为10-20纳米，长轴长度为10-80纳米。
10.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述接头为SMA905连接器。
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