CN105092536A - 一种多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器及其检测方法，传感器包括宽谱光源、光隔离器、光纤耦合器、光环形器、多模光纤、镀膜敏感单元、光谱仪及计算机。宽谱光源发出的光传输进多模光纤纤芯，在多模光纤和单模光纤交界处，由于单模光纤芯径远小于多模光纤，多模光纤纤芯中的光信号部分泄漏到单模光纤包层中，在敏感单元处产生表面等离子体共振效应，对外界物质进行在线检测。本发明充分利用泄漏到单模光纤包层的光进行检测，避免对包层处理，排除了光纤包层残留对传感器的影响，提高了传感器检测灵敏度，降低了传感器的制作难度，同时相对于多模-单模-多模结构的传感器，本发明提高了传感器光传输效率，实现了弱信号检测。

Description

一种多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及光纤传感在线检测技术领域，具体涉及一种多模光纤和单模光纤组成的新结构光纤表面等离子体共振传感器及其检测方法。

背景技术

光纤表面等离子体共振传感器是1993年美国华盛顿大学R.C.Jorgensen根据棱镜型表面等离子体共振传感器的原理，提出的一种新型表面等离子体共振传感器。这种结构的表面等离子体共振传感器用多模或单模光纤代替棱镜作为激发产生表面等离子体共振效应的耦合介质，提高了传感器的稳定性，能够更好的远程实时在线检测。目前，光纤表面等离子体共振传感器受到了广泛关注和研究。锥形、楔形、D型、MSM等结构的光纤表面等离子体共振传感器相继被提出，有效提高了光纤表面等离子体共振传感器的灵敏度和检测精度。

然而，传统光纤表面等离子体共振传感器和锥形、楔形、D型结构的光纤表面等离子体共振传感器都需要对光纤包层处理作为敏感单元，去包层时容易有包层残留，限制了传感器灵敏度，多模-单模-多模(MSM)结构的光纤表面等离子体共振传感器利用泄露到单模光纤包层里面的光进行检测，避免了对光纤包层的处理，但这种结构的传感器光损耗达60％，弱信号检测困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有光纤表面等离子体共振传感器存在的上述不足，提供一种多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器及其检测方法，将多模光纤和单模光纤熔接，通过在单模光纤包层表面沉积纳米薄膜，采用在线传输式检测和终端反射式检测两种方式实现对外界不同折射率物质的检测。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器，至少包括宽谱光源、多模光纤、镀膜敏感单元、光谱仪和计算机，宽谱光源的输出端与光隔离器连接，光隔离器与光纤耦合器或光环形器的A端口连接，光纤耦合器或光环形器的B端口经多模光纤与镀膜敏感单元连接，光纤耦合器或光环形器的C端口经光谱仪与计算机连接。

按上述方案，当光纤表面等离子体共振传感器采用在线传输式检测时，宽谱光源的输出端直接经多模光纤与镀膜敏感单元连接，镀膜敏感单元的输出端经光谱仪与计算机连接。

按上述方案，所述宽谱光源为白光光源，波长在350～1600nm范围内连续变化，波谱平滑稳定无突变。

按上述方案，所述光纤耦合器为一分二光纤耦合器(能实现一分二效果)。

按上述方案，所述镀膜敏感单元为一段沉积有纳米薄膜的单模光纤，纳米薄膜的起点为多模光纤与单模光纤熔接处，所述单模光纤去除涂敷层后直接在包层上沉积纳米薄膜。

按上述方案，所述纳米薄膜包括金属薄膜、氧化物调制薄膜、金属纳米粒子和湿度、温度、应力敏感的功能材料薄膜及特异性功能薄膜。

本发明还提供了一种上述多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器的检测方法，通过泄漏到单模光纤包层的光与镀膜敏感单元作用产生的表面等离子体共振效应对液体和气体进行检测，检测方式分为在线传输式检测和终端反射式检测：

1)在线传输式检测，直接用光谱仪在单模光纤末端检测输出信号；

2)终端反射式检测，具体分为两种处理方式：i)一种是直接在单模光纤末端镀反射膜，在输入端用光纤耦合器或光环形器对反射回来的光进行检测；ii)另一种是在单模光纤末端连接一个微球，在微球上镀反射膜，然后在输入端用光纤耦合器或光环形器对反射回来的光进行检测。

本发明的有益效果：本发明与传统光纤表面等离子体共振传感器相比较，采用多模-单模(MS)结构，有效避免了单模到多模光纤的二次损耗，同时该结构充分利用了泄漏到光纤包层的光，有效避免了对镀膜敏感单元光纤包层的处理，避免了残留包层对传感器性能的影响，提高了传感器灵敏度，提高了传感器的光传输效率，有效实现了弱信号检测，降低了传感器制作难度，有助于实现产业化。

附图说明

图1为本发明多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器的在线传输式检测系统图；

图2为本发明多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器采用光纤耦合器的终端反射式检测系统图；

图3为本发明多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器采用光环形器的终端反射式检测系统图；

图4为本发明多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器原理图；

图中，1：宽谱光源；2：光隔离器；3：光纤耦合器；4：光环形器；5：多模光纤；6：镀膜敏感单元；7：光谱仪；8：计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1～图3所示，本发明所述的多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器，其中图1为在线传输式检测，由宽谱光源1、多模光纤5、镀膜敏感单元6、光谱仪7和计算机8组成，从宽谱光源1发出的光经过多模光纤5传输到镀膜敏感单元6，发生表面等离子体共振效应，出射的光由光谱仪进行检测，在计算机上显示。图2和图3为终端反射式检测，由宽谱光源1、隔离器2、光纤耦合器3或光环形器4、多模光纤5、镀膜敏感单元6、光谱仪7和计算机8组成。从宽谱光源1发出的光经过光隔离器2，传输到光纤耦合器3或光环形器4的A端口，进入多模光纤5传输到镀膜敏感单元6，发生表面等离子体共振效应，在镀膜敏感单元6(单模光纤)末端发生反射，反射光进入光纤耦合器3或光环形器4的B端口，在光纤耦合器3或光环形器4的C端口由光谱仪7进行检测，在计算机8上显示。终端反射式检测，具体分为两种处理方式：i)一种是直接在单模光纤末端镀反射膜，在输入端用光纤耦合器3或光环形器4对反射回来的光进行检测；ii)另一种是在单模光纤末端连接一个微球，在微球上镀反射膜，然后在输入端用光纤耦合器3或光环形器4对反射回来的光进行检测。

图4是多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器的作用原理图，图中镀膜敏感单元6采用单模光纤，单模光纤包层表面的纳米薄膜采用金属薄膜如银膜。由于多模光纤5芯径远大于单模光纤，在多模光纤5纤芯中传输的光部分泄露到单模光纤包层中，在单模光纤包层表面发生全反射，产生的倏逝波进入包层表面的金属薄膜中，金属薄膜中的自由电子在倏逝波和库仑力的共同作用下发生定向振动，在金属和介质表面产生表面等离子体波，当倏逝波与表面等离子体波的频率相同时，发生共振，倏逝波的能量耦合到表面等离子体波中，光谱仪7对输出光谱进行检测，可得共振波长值，并在计算机8上显示。

待测物折射率与表面等离子体共振波长相关，设入射光在光纤轴向方向(x方向)的波矢为：

$k_x=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0\left(\mathrm{\λ}\right)}sin\mathrm{\θ}---\left(1\right)$

式中，λ为入射光波长，ε₀为单模光纤包层折射率，θ为敏感单元全反射临界角。

倏逝波沿垂直于光纤轴向方向(z方向)在各介质中波矢为：

$k_{zi}=\sqrt{{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2{\mathrm{\ϵ}}_i-k_x^2}---\left(2\right)$

式中，k_i＝0，1，2分别表示沿z方向在光纤包层、金属薄膜和待测物中的波矢，ε_i表示光纤包层、金属薄膜和待测物的介电常数。

由菲涅耳公式可以得出敏感区单次反射的光纤包层和金属薄膜分界面处反射系数为：

$r_{01}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{k}_{z1}-{\mathrm{\ϵ}}_1{k}_{z0}}{{\mathrm{\ϵ}}_0{k}_{z1}+{\mathrm{\ϵ}}_1{k}_{z0}}---\left(3\right)$

金属薄膜和待测物质分界面处反射系数为：

$r_{12}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{k}_{z2}-{\mathrm{\ϵ}}_2{k}_{z1}}{{\mathrm{\ϵ}}_1{k}_{z2}+{\mathrm{\ϵ}}_2{k}_{z1}}---\left(4\right)$

结合(1)～(4)可以得到镀膜敏感单元6(单模光纤)反射一次时的总反射率为：

$R_p=\left|{\left(\frac{r_{01}+r_{12}\exp \left(2{\mathrm{ik}}_{z1}{d}_1\right)}{1+r_{01}{r}_{12}\exp \left(2{\mathrm{ik}}_{z1}{d}_1\right)}\right)}^2\right|---\left(5\right)$

式中，d₁为金属薄膜的厚度。

结合图4进行分析，在镀膜敏感单元6发生的总反射次数为：

$N=\frac{L}{Dtan\mathrm{\θ}}---\left(6\right)$

式中，L表示镀膜敏感单元6的长度，D为单模光纤的外径。

那么，在镀膜敏感单元6中入射光的总反射率为：

$R=R_p^N---\left(7\right)$

入射到镀膜敏感单元6(单模光纤)中的光强为：

$P\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{{\mathrm{nl}}^{2}sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ}}{{(1-{\mathrm{nl}}^2{\cos }^2\mathrm{\θ})}^2}---\left(8\right)$

式中，nl为光纤包层折射率。

分析(1)～(8)可以得出，出射光的归一化光功率为：

$T=\frac{1}{2}\left(\frac{{\∫}_{\mathrm{\θ}}^{\mathrm{\π}/2}{R}_p^{N\left(\mathrm{\θ}\right)}P\left(\mathrm{\θ}\right)d\mathrm{\θ}}{{\∫}_{\mathrm{\θ}}^{\mathrm{\π}/2}P\left(\mathrm{\θ}\right)d\mathrm{\θ}}\right)---\left(9\right)$

从上式(9)可得，出射光的强度与共振波长和待测物折射率相关，检测出射光强就可以确定共振波长和待测物折射率。

本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于本领域的技术人员来说，可根据本发明作出各种相应的更改和变型，而所有这些相应的更改和变型都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：至少包括宽谱光源、多模光纤、镀膜敏感单元、光谱仪和计算机，宽谱光源的输出端与光隔离器连接，光隔离器与光纤耦合器或光环形器的A端口连接，光纤耦合器或光环形器的B端口经多模光纤与镀膜敏感单元连接，光纤耦合器或光环形器的C端口经光谱仪与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：当光纤表面等离子体共振传感器采用在线传输式检测时，宽谱光源的输出端直接经多模光纤与镀膜敏感单元连接，镀膜敏感单元的输出端经光谱仪与计算机连接。

3.根据权利要求1所述的多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述宽谱光源为白光光源，波长在350～1600nm范围内连续变化，波谱平滑稳定无突变。

4.根据权利要求1所述的多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述光纤耦合器为一分二光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述镀膜敏感单元为一段沉积有纳米薄膜的单模光纤，纳米薄膜的起点为多模光纤与单模光纤熔接处，所述单模光纤去除涂敷层后直接在包层上沉积纳米薄膜。

6.根据权利要求5所述的多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述纳米薄膜包括金属薄膜、氧化物调制薄膜、金属纳米粒子和湿度、温度、应力敏感的功能材料薄膜及特异性功能薄膜。

7.一种上述权利要求1-6任意之一所述的多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器的检测方法，其特征在于：通过泄漏到单模光纤包层的光与镀膜敏感单元作用产生的表面等离子体共振效应对液体和气体进行检测，检测方式分为在线传输式检测和终端反射式检测：

1)在线传输式检测，直接用光谱仪在单模光纤末端检测输出信号；

2)终端反射式检测，具体分为两种处理方式：i)一种是直接在单模光纤末端镀反射膜，在输入端用光纤耦合器或光环形器对反射回来的光进行检测；ii)另一种是在单模光纤末端连接一个微球，在微球上镀反射膜，然后在输入端用光纤耦合器或光环形器对反射回来的光进行检测。