CN103398982A - 光子晶体光纤表面等离子共振测试方法及传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感和物质检测。为充分利用光子晶体光纤表面等离子共振传感器高灵敏的优点，提供一种大模场光子晶体光纤表面等离子共振生化物质传感器，本发明采用的技术方案是：光子晶体光纤表面等离子共振测试方法，包括下列步骤：将光源出射光经光纤连接器输出到单模光纤中，再经耦合器按光功率均分成两路，其中一路的光子晶体光纤镀有金属膜和被测样品敏感膜作为探测信号光路，另一路光子晶体光纤镀有金属膜和已知折射率样品薄膜作为参考信号光路，采用光谱仪或光功率计接收两路光信号后交由计算机处理。本发明主要应用于光纤传感和物质检测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感和物质检测，特别是生化物质检测领域，具体讲涉及光子晶体光纤表面等离子共振测试方法及传感器。
背景技术
在日常生产生活中的许多重要领域中，比如医药、环境、生物、食品等等，对于生化物质的检测和分析有着广泛的需求。自从上世纪80年代低损耗光纤问世以来，光纤传感技术一直处于传感器技术发展的前沿，并与光纤通信技术一起成为光纤技术的两个重要领域。与传统的传感器相比，光纤传感器本身不带电，具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、多参量测量（温度、应力、振动、位移、转动、电磁场、化学量和生物量等）、灵敏度高、质量轻、体积小、可嵌入（物体）等特点，容易组成光纤传感网络（本征型分布式光纤传感器本身就组成网络）并可接入因特网和无线网。光纤传感技术已经在国家安全、重大工程、生物医药等多个领域具有重大的社会需求并有广阔的应用前景。
而基于表面等离子共振的生化传感方法是目前非常先进的无标记，实时检测技术，在化学、生物、环境与医药等领域具有非常重要的应用。
常用的光激发等离子的装置主要采用棱镜耦合，波导耦合，光纤耦合，光栅耦合等方法。棱镜耦合是最早出现的方法，包括Otto方法和Kretschmann–Reather方法。经过几十年的发展，已经出现了实用化的产品应用于生化物质检测。然而，尺寸大，成本高极大限制了棱镜耦合的应用范围。随着光纤制作工艺的快速发展，传感器小型化集成化的需求，促进了光纤耦合等离子共振传感器的研究与发展，许多结构紧凑的光纤等离子传感器得到了研究，比如镀有金属膜的单模、多模光纤，保偏光纤，拉锥光纤，以及Bragg光栅等等。虽然光纤的使用为传感提供了吸引人的平台，但是为了使得光纤与待测物质的密切接触，传统单模光纤往往需要通过物理的或者化学的方法去除部分包层，这样降低了器件的可靠性。而多模光纤中只有特定的高阶模才满足相位匹配，灵敏度和稳定性过于依赖光源条件。
近年来许多工作者提出了基于光子晶体光纤的表面等离子体共振（SPR）传感器，这种传感机理是将纤芯的泄露模和沿光纤微结构中的等离子激模耦合而实现共振。光子晶体光纤以其灵活的结构设计，容易做到传导模有效折射率和待测物质折射率相等，从而可以方便地在需要的波长处实现纤芯模和表面等离子模的匹配和共振。并且不需要像常规光纤那样腐蚀掉包层或者拉很细的锥，使传感器设计不存在封装问题。国内外许多科学家及学者提出了很多基于光子晶体光纤（PCF）表面等离子共振传感器的设计方案，并做出了大量的模拟和计算，显示出这种新型传感器的巨大优势和应用前景。2006年Hassani et al.提出了基于微结构光纤SPR传感器与优化型微流体的设计理念，具有10-4RIU的灵敏度。2008年Hautakorpi et al.提出并数值分析了三孔光子晶体光纤SPR传感器，其中金膜沉积在三孔的内壁上。数值结果表明可以获得非常小的光纤损耗和10-4RIU的灵敏度。
然而，无论在微米量级的小孔内均匀镀上几十纳米的金属膜还是填充各种待测物质，都无比困难和复杂，虽然已有文献报道过镀膜和填充方法。
发明内容
为克服现有技术的不足，充分利用光子晶体光纤表面等离子共振传感器高灵敏的优点，提供一种大模场光子晶体光纤表面等离子共振生化物质传感器，为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：光子晶体光纤表面等离子共振测试方法，包括下列步骤：将光源出射光经光纤连接器输出到单模光纤中，再经耦合器按光功率均分成两路，其中一路的光子晶体光纤镀有金属膜和被测样品敏感膜作为探测信号光路，另一路光子晶体光纤镀有金属膜和已知折射率样品薄膜作为参考信号光路，采用光谱仪或光功率计接收两路光信号后交由计算机处理。
所述光源为宽谱光源时，采用光谱仪；所述光源为单色光源时，采用光功率计；通过探测输出光谱的变化或者光强变化检测生化物质。
所述的光子晶体光纤表面等离子共振测试传感器，由大模场光子晶体光纤构成，直接将金属膜镀在大模场光子晶体光纤PCF的外部侧面，待测物质在PCF外表面被检测。
金属膜镀时不需要对光子晶体光纤PCF进行拉锥或者去包层处理，是直接将金属膜镀在大模场光子晶体光纤PCF的外部侧面。
所述的光子晶体光纤表面等离子体共振传感器是：在非拉锥的光子晶体光纤外部侧壁镀40纳米厚度的金属膜，在金属膜外部再镀上对被测样品敏感的分子敏感薄膜。
所述的光子晶体光纤PCF背景介质为熔融石英，外侧所镀金属膜为金膜或银膜。
本发明可带来如下效果：
本发明从实用角度出发，采用所设计的光子晶体光纤来实现表面等离子共振生化物质传感，光子晶体光纤不需要拉锥或者去包层等处理，金属膜不需要镀在微小的气孔内，只需要镀在光纤的外部侧面，待测物质在光纤外表面检测，也不需要填充到小孔中，方便于传感系统多次重复检测使用，省却了诸多麻烦。并有较高的可靠性、稳定性和灵敏度，是等离子共振传感系统的一大创新，并有巨大实用价值；
传感系统为全光纤光路设计，调试简单，应用方便，便于重复使用，灵敏度高，可靠性好。
附图说明
图1是熔融石英光子晶体光纤横剖面图。外部侧面镀有厚度40纳米的银膜，银膜外部镀有对被测样品敏感的分子敏感薄，待测物质分布于光纤周围。
图2是模拟光纤模场分布图。
图3(a)是基模限制损耗与光波长的关系曲线，黑色、红色曲线分别表示样品折射率为1.33、1.335的情况(Δλ峰≈8nm);(b)为光强检测灵敏度曲线。
图4是本新型结构大模场光子晶体光纤表面等离子共振生化物质传感器系统结构图。其中：1、超连续谱高功率光纤激光器宽谱光源，2、隔离器，3、光纤连接器，4、单模光纤，5、3dB耦合器，6、镀有银膜和被测样品敏感膜的光子晶体光纤，7、镀有银膜和已知折射率样品薄膜光子晶体光纤，8、光谱仪。
具体实施方式
为了实现上述目的，设计出一种基于大模场光子晶体光纤表面等离子共振生化物质传感器。技术方案如下：一种大模场光子晶体光纤表面等离子共振生化物质传感器，所述的光子晶体光纤不需要拉锥或者去包层等处理，可直接在其外部侧壁镀有40纳米厚度的金属膜，在金属膜外部再镀上对被测样品敏感的分子敏感薄。偶联在传感片上的生物分子可以捕获能与之进行特异反应的生物分子。而表面等离子共振条件对于周围环境的变化非常敏感，通过探测输出光谱的变化（采用宽谱光源）或者光强变化（采用单色光源）达到检测生化物质、获得动态生化反应信息、以便采取实时控制的目的。
本发明提出的新型结构大模场光子晶体光纤表面等离子共振生化物质传感器，从实用角度出发，提出采用光子晶体光纤来实现表面等离子共振生化物质传感，光子晶体光纤不需要拉锥或者去包层等处理，金属膜不需要镀在微小的气孔内，只需要镀在光纤的外部侧面，待测物质在光纤外表面检测，也不需要填充到小孔中，方便于传感系统多次重复检测使用，省却了诸多麻烦。并有较高的可靠性、稳定性和灵敏度，是表面等离子共振传感系统的一大创新，并有巨大实用价值。
下面结合附图对本传感系统进行进一步地描述。如图1所示，光子晶体光纤结构简单，容易制作，不需要表面处理，外部侧面镀有40纳米厚的银膜和对被测样品敏感的分子敏感薄，待测物质分布在光纤周围。
本传感器系统整体为全光纤光路设计，调试简单，稳定性高，可靠性好。宽谱光源出射光经光纤连接器到单模光纤中，可远距离传输，在3dB耦合器中光功率均分二路，其中一路的光子晶体光纤镀有银膜和被测样品敏感膜作为探测信号光路，另一路光子晶体光纤镀有银膜和已知折射率样品薄膜作为参考信号光路，光谱仪接收两路光信号后交由计算机处理。
Claims (6)
1.一种光子晶体光纤表面等离子共振测试方法，其特征是，包括下列步骤：将光源出射光经光纤连接器输出到单模光纤中，再经耦合器按光功率均分成两路，其中一路的光子晶体光纤镀有金属膜和被测样品敏感膜作为探测信号光路，另一路光子晶体光纤镀有金属膜和已知折射率样品薄膜作为参考信号光路，采用光谱仪或光功率计接收两路光信号后交由计算机处理。
2.如权利要求1所述的光子晶体光纤表面等离子共振测试方法，其特征是，所述光源为宽谱光源时，采用光谱仪；所述光源为单色光源时，采用光功率计；通过探测输出光谱的变化或者光强变化检测生化物质。
3.一种光子晶体光纤表面等离子共振测试传感器，其特征是，由大模场光子晶体光纤构成，直接将金属膜镀在大模场光子晶体光纤PCF的外部侧面，待测物质在PCF外表面被检测。
4.如权利要求3所述的光子晶体光纤表面等离子共振测试传感器，其特征是，金属膜镀时不需要对光子晶体光纤PCF进行拉锥或者去包层处理，是直接将金属膜镀在大模场光子晶体光纤PCF的外部侧面。
5.如权利要求3或4所述的光子晶体光纤表面等离子共振测试传感器，其特征是，所述的光子晶体光纤表面等离子体共振传感器是：在非拉锥的光子晶体光纤外部侧壁镀40纳米厚度的金属膜，在金属膜外部再镀上对被测样品敏感的分子敏感薄膜。
6.如权利要求3所述的光子晶体光纤表面等离子共振测试传感器，其特征是，所述的光子晶体光纤PCF背景介质为熔融石英，外侧所镀金属膜为金膜或银膜。
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