CN105784594A - 一种基于双频激光外差干涉的光纤spr传感测量光路 - Google Patents

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罗会甫
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Abstract

本发明涉及表面等离子共振(SPR)传感测量及激光干涉测量领域，具体涉及一种基于双频激光外差干涉的光纤SPR传感测量光路。包括：双频激光源、半透半反镜、聚焦透镜、保偏光纤Ⅰ和Ⅱ、第一、二偏振片、第一、二探测器、相位测量仪。激光源发出相互正交的线偏振光，光束经半透半反镜后被分为两束，其中透射光经过聚焦透镜、保偏光纤Ⅰ(未经处理)、聚焦透镜、第一偏振片形成拍频信号后被第一探测器接收，作为参考信号送入相位测量仪；反射光经过聚焦透镜、保偏光纤Ⅱ(中部加工成SPR激发结构)、聚焦透镜、第二偏振片后被第二探测器接收，作为测量信号送入相位测量仪。通过相位测量仪可以得到由于发生SPR现象而导致两路信号产生的相位差根据相应的测量公式测得待测介质的折射率参数。

Description

一种基于双频激光外差干涉的光纤SPR传感测量光路
技术领域
本发明涉及表面等离子共振(SPR)传感测量及激光干涉测量领域，涉及光纤表面等离子共振(SPR)耦合传感器以及激光外差干涉光路系统。具体涉及一种基于双频激光外差干涉的光纤SPR传感测量光路。
背景技术
基于表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)技术的传感器是一种新兴的传感技术。1902年由Wood在光学实验中发现了表面等离子体波共振现象，20世纪80年代开始SPR技术得到进一步应用和发展。SPR技术由于其精度高、实时性强、自动化程度高、便于和其他技术联用等优点，在化学分析、生物分子间相互作用研究、环境污染评估、医疗诊断等领域得到广泛应用。激光干涉测量技术灵敏度很高，并且能实现非接触测量，应用范围非常广泛。20世纪60年代He-Ne激光器的出现，由于具有输出谱线窄、优良的相干性等优势，使其成为干涉测量技术比较理想的光源。基于双频激光光源的外差干涉的SPR测量光路，系统具有良好的共光路结构，抗干扰能力强，信号处理采用相位调制方法，光路结构简单，而且具有较高的测量精度。
SPR传感器主要可分为棱镜耦合机构、光学波导结构、光栅耦合结构以及光纤耦合结构传感器。而光纤耦合结构的SPR传感器采用光纤作为光的传输媒质，由于光纤的特殊性，这种传感器具有其他结构传感器所不具备的特点：它可以适应恶劣的环境，能通过光纤对敏感信号的传输，实现远程检测和分布式检测，同时可以达到较高的灵敏度。但目前为止，大部分有关SPR传感器的研究应用还是基于棱镜耦合结构，经典的Kretschmann“棱镜-金属膜-介质”三层耦合结构由于其较高的成功率，得到了广泛的应用。本实验室前期工作主要是研究设计了Kretschmann棱镜耦合结构传感器，并进行一些气体和液体相关物理性质的测量，但是实验材料成本较高，传感器系统体积较大，实验系统较为复杂，实验调试难度较大，实验结果易于受外界干扰。基于此，提出一种基于双频激光外差干涉的光纤SPR传感测量光路，在成本、稳定性、小型化等方面优势明显，为实现产品由实验室到商品化的转化提供了可能性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种基于双频激光外差干涉的光纤SPR传感测量光路，采用外差干涉光路，稳定性好，且两个频率分量都参与了测量而且才用了相位调制的测量方法，提高了测量精度。用保偏光纤作为激光传输媒介，能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，可以实现高精度测量。
本发明的技术解决方案是：
一种基于双频激光外差干涉的光纤SPR传感测量光路，包括：横向塞曼双频激光源(101)、半透半反镜(102)、聚焦透镜(103)、保偏光纤Ⅰ(104)、聚焦透镜(105)、第一偏振片(106)、第一探测器(107)、相位测量仪(108)、第二探测器(109)、第二偏振片(110)、聚焦透镜(111)、保偏光纤Ⅱ(112)、聚焦透镜(113)。
双频激光源(101)输出一对偏振方向正交的线偏振光，即p和s两个偏振分量，光束经半透半反镜(102)后被分成两部分，每束光均包该两个偏振分量。透射光经过聚焦透镜(103)耦合后进入保偏光纤Ⅰ(104)，从保偏光纤Ⅰ(104)输出并经聚焦透镜(105)准直，再通过快轴方向与p、s偏振分量成45°的第一偏振片(106)后形成拍频信号，由第一探测器(107)接收，作为参考信号送入相位测量仪(108)；反射光经聚焦透镜(113)耦合后进入保偏光纤Ⅱ(112)，从保偏光纤Ⅱ(112)输出并经聚焦透镜(111)准直，再通过快轴方向与p、s偏振分量成45°的第二偏振片(110)后形成拍频信号，由第二探测器(109)接收，作为测量信号送入相位测量仪(108)。保偏光纤Ⅱ(112)中段部分包层进行剥层处理(剥至纤芯)，表面蒸镀上一定厚度的金属薄膜，从而形成纤芯-金属薄膜-待测介质的SPR激发结构。调整光路，通过相位测量仪(108)可以得到由于发生SPR现象而导致两路信号产生的相位差根据相应的测量公式测得待测介质的折射率参数。
本发明的工作原理是：
请参阅附图，双频激光源(101)输出一对偏振方向正交的线偏振光，即p和s两个偏振分量，光束经半透半反镜(102)后被分成两部分，每束光均包该两个偏振分量。透射光经过聚焦透镜(103)耦合后进入保偏光纤Ⅰ(104)，从保偏光纤Ⅰ(104)输出并经聚焦透镜(105)准直，再通过快轴方向与p、s偏振分量成45°的第一偏振片(106)后形成拍频信号，由第一探测器(107)接收，作为参考信号送入相位测量仪(108)；反射光经聚焦透镜(113)耦合后进入保偏光纤Ⅱ(112)，激发SPR反应。SPR现象发生时，光束中的p偏振分量的相位随入射角变化很大而s分量变化很小，二者之间产生一定相位差。从保偏光纤Ⅱ(112)输出并经聚焦透镜(111)准直，再通过快轴方向与p、s偏振分量成45°的第二偏振片(110)后形成拍频信号，由第二探测器(109)接收，作为测量信号送入相位测量仪(108)。通过相位测量仪(108)可以得到由于发生SPR现象而导致两路信号产生的相位差根据相应的测量公式测得待测介质折射率参数。
本发明与以前技术相比的优势在于，光路采用双频激光光源，由一对相互正交的p、s分量组成，从而组成双频激光外差干涉的SPR测量光路，系统具有良好的共光路结构，抗干扰能力强。同时，信号处理采用相位调制方法，光路结构简单，而且具有较高的测量精度。采用光纤耦合结构，光路结构简单，成本低。
附图说明
附图为本发明一种基于双频激光外差干涉的光纤SPR传感测量光路的原理图。
具体实施方式
请参阅附图。双频激光源(101)采用频差为3MHz的横向塞曼双频激光器，输出一对偏振相互正交且波长为633nm的线偏振光，其平行和垂直纸面的频率分量频差为5MHz。半透半反镜(102)为镀有半透膜的k9光学玻璃。光束经半透半反镜(102)后被分成两部分，每束光均包该两个偏振分量。透射光经过聚焦透镜(103)耦合后进入保偏光纤Ⅰ(104)，从保偏光纤Ⅰ(104)输出并经聚焦透镜(105)准直，再通过快轴方向与p、s偏振分量成45°的第一偏振片(106)后形成拍频信号，由第一探测器(107)接收，作为参考信号送入相位测量仪(108)；反射光经聚焦透镜(113)耦合后进入保偏光纤Ⅱ(112)，从保偏光纤Ⅱ(112)输出并经聚焦透镜(111)准直，再通过快轴方向与p、s偏振分量成45°的第二偏振片(110)后形成拍频信号，由第二探测器(109)接收，作为测量信号送入相位测量仪(108)。保偏光纤Ⅰ(104)和保偏光纤Ⅱ(112)都是相同类型的商用产品，区别就是(112)中段部分作了包层剥皮处理，在纤芯之上蒸镀上40nm的金膜，形成SPR光纤耦合激发结构，而(104)不做处理以形成参考光路。第一探测器(107)和第二探测器(109)均为通用的商用光电探测器。相位测量仪(108)的分辨率为0.01度。由相位测量仪(108)可以得到参考信号与测量信号的相位差根据相应的测量公式可测得待测介质的折射率参数。

Claims (2)

1.一种基于双频激光外差干涉的光纤SPR传感测量光路，包括：横向塞曼双频激光源(101)、半透半反镜(102)、聚焦透镜(103)、保偏光纤Ⅰ(104)、聚焦透镜(105)、第一偏振片(106)、第一探测器(107)、相位测量仪(108)、第二探测器(109)、第二偏振片(110)、聚焦透镜(111)、保偏光纤Ⅱ(112)、聚焦透镜(113)；其特征在于：
双频激光源(101)输出一对偏振方向正交的线偏振光，即p和s两个偏振分量，光束经半透半反镜(102)后被分成两部分，每束光均包该两个偏振分量。透射光经过聚焦透镜(103)耦合后进入保偏光纤Ⅰ(104)，从保偏光纤Ⅰ(104)输出并经聚焦透镜(105)准直，再通过快轴方向与p、s偏振分量成45°的第一偏振片(106)后形成拍频信号，由第一探测器(107)接收，作为参考信号送入相位测量仪(108)；反射光经聚焦透镜(113)耦合后进入保偏光纤Ⅱ(112)，从保偏光纤Ⅱ(112)输出并经聚焦透镜(111)准直，再通过快轴方向与p、s偏振分量成45°的第二偏振片(110)后形成拍频信号，由第二探测器(109)接收，作为测量信号送入相位测量仪(108)。通过相位测量仪(108)可以得到由于发生SPR现象而导致两路信号产生的相位差根据相应的测量公式测得待测介质的折射率参数。
2.如权利要求1所述的一种基于双频激光外差干涉的光纤SPR传感测量光路,其特征在于：保偏光纤作为激光传播的媒介。输入保偏光纤Ⅰ(104)和保偏光纤Ⅱ(112)的激光均为一对偏振方向互相正交的线偏振光。
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