CN103900991A - 一种基于表面等离子共振的折射率传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于表面等离子共振的折射率传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、光纤SPR探头(3)、液体池(4)、光谱仪(5)组成；出射光纤的两个端口分别与光纤SPR探头(3)和光谱仪(5)相连，液体池(4)中充满传感介质，光纤SPR探头(3)位于液体池(4)内部。本发明结构简单，易于操作，可以应用于各类实际工程中。

Description

一种基于表面等离子共振的折射率传感器

技术领域

一种基于表面等离子共振的折射率传感器，属于光纤传感技术领域。 

背景技术

由于能够对物质的物理、化学和生物性质进行实时传感，表面等离子共振现象无论是从实验上或是理论上都吸引了大量的关注。共振对于金属表面绝缘环境的折射率变化非常敏感，反过来这种灵敏度又可以感知绝缘环境周围的变化。通过使用波长调节技术，我们已经展示了金属盒氧化物结合的性能可以用于基于氧化物镀膜表面等离子共振增敏折射率传感器。感响应的分析通过使用多模结构和几何光学而实现。这个结构包括以铜层作为SPR活跃的金属层，然后被TiO₂氧化层所覆盖。通过使用TiO₂层可以获得最强的灵敏度，另外增加TiO₂层的厚度可以增加传感器的灵敏度。另外，使用氧化层可以使金属层免受氧化，以及共振波长区域的可调谐性以及气体传感的性能和生物适应性。 

发明内容

一种基于表面等离子共振的折射率传感器。该装置能够提高传感灵敏度。具有结构简单、易于操作、灵敏度高等特点。 

通过以下技术方案实现： 

一种基于表面等离子共振的折射率传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、SPR探头(3)、液体池(4)、光谱仪(5)组成；出射光纤的两个端口分别与光纤SPR探头(3)和光谱仪(5)相连，液体池(4)中充满传感介质，光纤SPR探头(3)位于液体池(4)内部。本发明结构简单，易于操作，可以应用于各类实际工程中。 

所述的一种基于表面等离子共振的折射率传感器，其特征在于：光纤SPR探头(3)是由纤芯、Cu层、TiO₂薄膜以及包层组成的四层系统，纤芯外面镀Cu层，Cu层外面镀TiO₂薄膜。 

所述的一种基于表面等离子共振的折射率传感器，其特征在于：光纤SPR探头中，Cu层的厚度为30nm～60nm，TiO₂薄膜厚度为5nm～10nm。 

本发明的工作原理是：光纤SPR探头(3)是一个四层的系统，包括纤芯、Cu层、TiO₂薄膜以及包层。对于绝缘氧化物TiO₂而言，依赖于折射率的波长公式： 

$n_{{\mathrm{TiO}}_2}=\sqrt{5.913+\frac{0.2441}{{\mathrm{\λ}}^2-0.0843}}---\left(1\right)$

其中，λ表示波长，单位是μm。 

对于基于SPR的光纤传感器，通过光纤的归一化发射功率可以表示如下： 

$P_{\mathrm{trans}}=\frac{\underset{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cr}}}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}{R_p}^{N_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\θ}\right)}{({n_1}^2\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}/1-{n_1}^2{\cos }^2\mathrm{\θ})}^2\mathrm{d\θ}}{\underset{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cr}}}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}{({n_1}^2\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}/1-{n_1}^2{\cos }^2\mathrm{\θ})}^2\mathrm{d\θ}}---\left(2\right)$

其中，R_p是光线入射的核心金属表面的反射系数，θ_cr=sin^-1(n₂／n₁)表示光纤的临界角，n₂是光纤包层的折射率。N_ref(θ)是以θ角进入纤芯的反射光纤的值，表示如下： 

$N_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{D\tan \mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

其中，L是传感探头的长度，D是纤芯的直径。 

本发明的有益效果是：该传感器通过使用铜加氧化物薄膜结构，提高了灵敏度，并且通过选择合适的氧化物薄膜，基于光纤折射率传感器的生物适应性波长，可以用于气体传感。而且可以调节电磁频谱的共振波长区域并且防止金属层被氧化。基于以上性质使得该装置结构简单，操作方便。 

附图说明

图1基于表面等离子共振的折射率传感器结构图； 

图2是光纤SPR探头(3)的结构示意图； 

图3是不同折射率下波长和归一化发射功率关系示意图； 

具体实施方式

下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述： 

参见附图1和附图2，一种基于表面等离子共振的折射率传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、SPR探头(3)、液体池(4)、光谱仪(5)组成；出射光纤的两个端口分别与光纤SPR探头(3)和光谱仪(5)相连，液体池(4)中充满传感介质，光纤SPR探头(3)位于液体池(4)内部。光纤SPR探头(3)是由纤芯(31)、Cu层(32)、TiO₂薄膜(33)以及包层(34)组成的四层系统，纤芯外面镀Cu层(32)，Cu层(32)外面镀TiO₂薄膜(33)。光纤SPR探头中，Cu层的厚度为40nm，TiO₂薄膜厚度为5nm。 

如图3所示，随着折射率的增加，SPR波谱产生红移。另外，由于TiO₂薄膜的存在，SPR共振波长的变化比只有Cu层时大，探测精度也大幅提高。 

Claims (3)

1.一种基于表面等离子共振的折射率传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、光纤SPR探头(3)、液体池(4)、光谱仪(5)组成；出射光纤的两个端口分别与光纤SPR探头(3)和光谱仪(5)相连，液体池(4)中充满传感介质，光纤SPR探头(3)位于液体池(4)内部。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子共振的折射率传感器，其特征在于：光纤SPR探头(3)是由纤芯、Cu层、TiO₂薄膜以及包层组成的四层系统，纤芯外面镀Cu层，Cu层外面镀TiO₂薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种表面等离子共振的折射率传感器，其特征在于：光纤SPR探头中Cu层的厚度为30nm～60nm，TiO₂薄膜厚度为5nm～1Onm。

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