CN105911026B - 一种终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：包括宽谱光源、3dB光纤耦合器、微透镜耦合器、光纤传感单元和光谱仪，宽谱光源与光纤耦合器连接，光纤耦合器与微透镜耦合器连接，微透镜耦合器与光纤传感单元连接，光纤耦合器同时与光谱仪连接。光纤传感单元由一段螺旋芯光纤和一段侧面镀有敏感金属薄膜且终端面镀有镜面反射膜的无芯光纤组成。本发明通过在光谱仪中检测到的表面等离子体共振波谱来判断传感单元中无芯光纤的外介质的折射率。当无芯光纤的外介质的折射率增大时，共振波长增大；外介质折射率减小时，共振波长减小。本发明相比于传统光纤表面等离子体共振传感器能量利用率高，灵敏度高，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及光纤表面等离子体共振传感器的装置，具体涉及一种终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器。
背景技术
目前光纤表面等离子体共振传感器分为在线传输型和终端反射型两种。其中，在线传输型的光纤表面等离子体共振传感器的敏感单元在光纤的侧面，在使用时相比较于终端反射型的光纤表面等离子共振传感器非常不方便。当下，已经存在的终端反射型光纤表面等离子共振传感器以锥形或楔形探针类为主。这两种传感结构的敏感面是光纤的终端面，对终端面的工艺要求很高。加工终端面一般有化学腐蚀法，拉锥法和研磨法三种。其中，化学腐蚀法会因为光纤原子结构的各向异性而导致腐蚀时终端面不光滑，因而还需要抛光等步骤。拉锥法和研磨法需要的时间很长，一台机器一个月的产量也不过几根而已，成品一致性也难以控制，难以达到大规模生产的要求。因此，寻求一种新的终端反射型表面等离子体共振传感结构亟待解决。
异芯光纤类中的多模-单模光纤类不需要抛光、控制切割角等繁琐的工艺，使得生产工艺要求大大降低。这种光纤利用多模光纤的纤芯大于单模光纤纤芯的特点，当光从多模光纤的纤芯传导进入单模光纤的时候，光会大量泄漏进入到单模光纤的包层中，并在单模光纤的包层和外介质的界面上发生全反射并产生倏逝波，如果在单模光纤的包层外面镀上敏感金属薄膜就能产生表面等离子体共振效应。当单模光纤的外介质改变时，相应的表面等离子共振波谱也会改变。我们可以根据这种效应测量不同的外介质。然而，多模光纤中存在很多不同传导模式的光，这些不同模式的光会以不同的角度泄露进单模光纤，并且在单模光纤的包层和外介质表面发生全反射时的角度也不同，那么不同的全反射角也会对应不同的表面等离子体共振波谱。也就是说，最终测量到的表面等离子体共振波谱实际是多模光纤中不同模式所激发的波谱的叠加谱。这样就会最终导致测量到的波谱的半高宽降低，测量灵敏度降低。而异芯光纤类中的单模-无芯光纤结构虽然灵敏镀高于多模-单模光纤结构，但是由于耦合进单模光纤是能量损失太大，导致能量利用率低，增大了检测难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，基于表面等离子体共振效应的螺旋芯光纤-无芯光纤结构，提高了能量利用率，灵敏度高，使用方便。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，包括宽谱光源、3dB光纤耦合器、微透镜耦合器、光纤传感单元和光谱仪，宽谱光源经多模光纤与光纤耦合器连接，光纤耦合器经过多模光纤与微透镜耦合器连接，微透镜耦合器与光纤传感单元连接，光纤耦合器同时通过多模光纤与光谱仪连接。
按上述方案，所述光纤传感单元由一段螺旋芯光纤和一段侧面镀有敏感金属薄膜且终端面镀有镜面反射膜的无芯光纤组成。
按上述方案，所述无芯光纤为去掉涂覆层的折射率一定的光纤。
按上述方案，所述敏感金属薄膜致密，平整，覆盖无芯光纤包层的整个侧面。
按上述方案，所述敏感金属薄膜包括纳米金属薄膜、纳米金属氧化物薄膜、纳米合金薄膜及其他对湿度、温度、浓度、应力敏感的功能性及特异性材料薄膜。
按上述方案，所述镜面反射膜致密，平整，覆盖无芯光纤的整个终端面且对表面等离子体共振效应不敏感。
按上述方案，所述宽谱光源为波长在400～1800nm范围内连续变化的无突变的连续谱白光激光光源。
按上述方案，所述3dB光纤耦合器为分光比1:1的光无源器件。
按上述方案，所述光谱仪为检测波长范围400～1800nm光强的光谱仪，检测灵敏度小于1nm。
本发明的工作原理：宽谱光源发出的光经50m长多模光纤传导后进入分光比1:1的3dB光纤耦合器，其中一半的能量被损失掉，另一半的能量从3dB光纤耦合器的出口端出来经多模光纤传导进入微透镜耦合器中，微透镜耦合器将多模光纤的光耦合进螺旋芯光纤-无芯光纤结构的光纤传感单元进行调制，调制后的光再次经微透镜耦合器进入到多模光纤中，经3dB耦合器后一半的能量回到宽谱光源并被宽谱光源自带的光隔离器损失掉，另一半进入光谱仪进行检测。当宽谱光源发出的光耦合进入螺旋芯光纤后，由于螺旋芯光纤的纤芯的弯曲结构使得高阶模式的光在传输的过程中快速损耗，而基模的能量几乎不会损耗。对于无芯光纤而言，它和外介质一起构成了光密-光疏结构，也就是说无芯光纤相当于一段多模光纤的纤芯，外介质相当于多模光纤的包层。当螺旋芯光纤的基模光耦合进入无芯光纤时，会在无芯光纤中激发多个模式的光。其中基模的光会直接通过无芯光纤，经无芯光纤终端反射后回到螺旋芯光纤中，而高阶模式的光会在无芯光纤的包层和外介质的交界面发生全反射并产生倏逝波，在无芯光纤的包层外侧镀上敏感金属薄膜会增大倏逝波的横向波矢，当入射光的波长满足共振条件时就能发生表面等离子体共振想象。当外介质改变时，对应的共振波长也会改变。基于这一现象可以测量不同的外介质。
本发明相比于传统的光纤表面等离子体共振传感器，具有以下有益效果：
1、相比于锥形或楔形探针类光纤表面等离子体共振传感器而言，本发明不需要控制光纤端口的切割角或锥形角，也不需要抛光等工艺；
2、相比于多模光纤-单模光纤表面等离子体共振传感器而言，本发明不存在用多模光纤传导入射光时存在的多模光纤中模式众多且难以控制的问题；
3、相比于单模光纤-无芯光纤表面等离子体共振传感器而言，本发明的能量利用率高，使得检测难度降低。
附图说明
图1是本发明终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器的结构示意图；
图2是图1中光纤传感单元的结构示意图；
图3是本发明光纤传感单元的螺旋芯光纤采用四螺旋芯的光纤截面图；
图中，1-宽谱光源，2-3dB光纤耦合器，3-微透镜耦合器，4-光纤传感单元，41-螺旋芯光纤，42-无芯光纤，43-敏感金属薄膜，44-镜面反射膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
参照图1所示，本发明所述的终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，包括宽谱光源1、3dB光纤耦合器2、微透镜耦合器3、光纤传感单元4和光谱仪5，宽谱光源1经50m长多模光纤与光纤耦合器2连接，光纤耦合器2经过50m长多模光纤与微透镜耦合器3连接，微透镜耦合器3与光纤传感单元4连接，光纤耦合器2同时通过50m长多模光纤与光谱仪5连接。
参照图2所示，光纤传感单元4由一段螺旋芯光纤41和一段侧面镀有敏感金属薄膜43且终端面镀有镜面反射膜44的无芯光纤42组成。图3是螺旋芯光纤41采用四螺旋芯光纤的截面图。螺旋芯光纤41还可以采用双螺旋芯或三螺旋芯等等。
无芯光纤42为去掉涂覆层的折射率一定的光纤。
敏感金属薄膜43致密，平整，覆盖无芯光纤42包层的整个侧面。
敏感金属薄膜43包括纳米金属薄膜、纳米金属氧化物薄膜、纳米合金薄膜及其他对湿度、温度、浓度、应力敏感的功能性及特异性材料薄膜。
镜面反射膜44致密，平整，覆盖无芯光纤42的整个终端面且对表面等离子体共振效应不敏感。
宽谱光源1为波长在400～1800nm范围内连续变化的无突变的连续谱白光激光光源。
3dB光纤耦合器2为分光比1:1的光无源器件。
微透镜耦合器3为用于将无芯光纤42和螺旋芯光纤41的光耦合的光无源器件。
光谱仪5为检测波长范围400～1800nm光强的光谱仪，检测灵敏度小于1nm。
宽谱光源1发出的光经50m长多模光纤传导后进入分光比1:1的3dB光纤耦合器2，其中一半的能量被损失掉，另一半的能量从3dB光纤耦合器2的出口端出来经多模光纤传导进入微透镜耦合器3中，微透镜耦合器3将多模光纤的光耦合进螺旋芯光纤-无芯光纤结构的光纤传感单元4进行调制，调制后的光再次经微透镜耦合器3进入到多模光纤中，经3dB耦合器2后一半的能量回到宽谱光源1并被宽谱光源1自带的光隔离器损失掉，另一半进入光谱仪5进行检测，光谱仪5连接至电脑6，供个人使用电脑6进行分析。
当光从宽谱光源1耦合进入螺旋芯光纤41时会激励起多个模式的光，但是不同模式的光的衰减系数不同。
基模光的衰减系数用Marcuse模型表示：
高阶模式的光的衰减系数用K.S.Kaufman模型表示:
其中:a为纤芯半径，k为波矢量，V为归一化频率，R为曲率半径，为第二类Hankel函数，Kv是修正的Hankel函数。Ib可以表示为：
其中G可以表示为：
G＝γR(n2k0)-2 (4)
其中γ反映了导模倏逝场的衰减速度：
k0为真空中的波矢量：
k0＝2π/λ (6)
由上式可知，在四螺旋芯光纤中，高阶模式的光会快速损耗，但是基模光的能量几乎不会损耗。由于无芯光纤42的折射率大于外介质，因此无芯光纤42和外介质一起也构成了光密-光疏结构，也就是说无芯光纤42相当于一段多模光纤的纤芯，外介质相当于多模光纤的包层。当四螺旋芯光纤的基模光耦合进入无芯光纤时，会在无芯光纤42中激发起多个模式的光。其中，被激发的基模光直接通过无芯光纤，在终端反射面经反射后回到螺旋芯光纤中，但是其它模式的光会在无芯光纤42和外介质的表面发生全反射。当入射光的波长在表面等离子体共振波长附近时，发生全反射的光的能量会从倏逝波大量耦合变成表面波的能量而使得光纤中的能量急剧减弱，也就是发生表面等离子体共振现象，此时测得的能量急剧减弱。当外介质改变时，发生表面等离子体共振时对应的光源波长也随之改变，我们可以通过这样的现象检测无芯光纤外介质的折射率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：包括宽谱光源、3dB光纤耦合器、微透镜耦合器、光纤传感单元和光谱仪，宽谱光源经多模光纤与光纤耦合器连接，光纤耦合器经过多模光纤与微透镜耦合器连接，微透镜耦合器与光纤传感单元连接，光纤耦合器同时通过多模光纤与光谱仪连接；所述光纤传感单元由一段螺旋芯光纤和一段侧面镀有敏感金属薄膜且终端面镀有镜面反射膜的无芯光纤组成。
2.根据权利要求1所述的终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述无芯光纤为去掉涂覆层的折射率一定的光纤。
3.根据权利要求1所述的终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述敏感金属薄膜致密，平整，覆盖无芯光纤包层的整个侧面。
4.根据权利要求1所述的终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述敏感金属薄膜包括纳米金属薄膜、纳米金属氧化物薄膜、纳米合金薄膜及其他对湿度、温度、浓度、应力敏感的功能性及特异性材料薄膜。
5.根据权利要求1所述的终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述镜面反射膜致密，平整，覆盖无芯光纤的整个终端面且对表面等离子体共振效应不敏感。
6.根据权利要求1所述的终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述宽谱光源为波长在400~1800nm范围内连续变化的无突变的连续谱白光激光光源。
7.根据权利要求1所述的终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述3dB光纤耦合器为分光比1:1的光无源器件。
8.根据权利要求1所述的终端反射型螺旋芯光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述光谱仪为检测波长范围400~1800nm光强的光谱仪，检测灵敏度小于1nm。
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