CN106066312A - 一种多通道表面等离子体共振光纤传感探针及测量方法 - Google Patents

一种多通道表面等离子体共振光纤传感探针及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种多通道表面等离子体共振光纤传感探针及测量方法。包括偏双芯光纤、单模光纤和多模光纤，偏双芯光纤与单模光纤焊接，偏双芯光纤的第一纤芯与单模光纤的纤芯对准，单模光纤一端研磨出角度为α的斜面形成第二包层传感区和纤芯传感区，单模光纤的包层表面作为第一包层传感区，多模光纤经过研磨形成角度为β的斜面，单模光纤的研磨成斜面的一端与多模光纤的研磨成斜面的一端焊接，在第一包层传感区、第二包层传感区和纤芯传感区上均镀有传感膜。本发明结合波分复用和时分复用技术，增加了传感通道，实现了多物质的检测。

Description

一种多通道表面等离子体共振光纤传感探针及测量方法
技术领域
本发明涉及的是一种光纤传感器，特别是一种主要用于溶液折射率、溶液浓度等传感测量的多通道SPR光纤传感器。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是光在全反射过程中和分界面处的导电介质相互作用所产生的一种物理现象。在全反射过程中产生的消逝波会引起界面处金属表面自由电子的振荡产生表面等离子体波，当消逝波的频率与表面等离子体波的频率相等时，将会发生共振现象，导致光场强度急剧减弱，使得光谱在此频率处出现塌缩形成SPR共振谷，该共振谷对应的光波长为共振波长。SPR共振波长对金属表面附近的折射率非常敏感，通过测量折射率可以研究物质的多种性质。
传统棱镜式的多通道SPR传感器在棱镜上制作多个传感区，在不同传感区之间切换检测可以实现多通道SPR传感，目前为止，传统棱镜式的SPR传感器技术已经相当成熟并已经投入医学器械使用，但是由于其体积庞大，成本极高，因此不易推广。
光纤SPR传感器巧妙的将传统的棱镜结构结合到光纤上，大大的缩小了传感器的尺寸，减小了成本。但是传统的光纤SPR传感器只能对单一的分析物进行测量，不能满足多种物质同时测量的需要。一种利用不同的传感膜实现了分布式SPR光纤传感器(Peng W,Banerji S,Kim Y C,et al.Investigation of dual-channel fiber-optic surfaceplasmon resonance sensing for biological applications[J].Optics letters,2005,30(22):2988-2990)，可以同时测量两种液体的折射率，但由于两个共振波长间隔太小相互之间会有影响，因此对所测液体的折射率有较严格的要求。申请人于2015年提出的名称为“一种双通道分布式传感检测装置”的发明专利中(专利申请号为：201510312470.6)，利用在微纳光纤上镀上周期性的金膜和银膜来实现双通道分布式传感，但存在微纳光纤不牢固，镀膜困难的缺点，且对光纤尺寸的精度要求很高。
由于光纤尺寸较小，因此多通道SPR光纤传感器通常采用波分复用技术，将不同传感区的共振波长调节到不同的范围来实现对不同物质的检测，这种方法由于光源波段有限，因此最多只能同时检测两种物质的折射率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、结构简单、测量精度高，能够实现单种物质或多种物质检测的多通道表面等离子体共振光纤传感探针。本发明的目的还在于提供一种利用多通道表面等离子体共振光纤传感探针的测量方法。
本发明的多通道表面等离子体共振光纤传感探针包括偏双芯光纤1、单模光纤2和多模光纤3，偏双芯光纤与单模光纤焊接，偏双芯光纤的第一纤芯1-1与单模光纤的纤芯对准，单模光纤一端研磨出角度为α的斜面形成第二包层传感区2-2和纤芯传感区2-3，单模光纤的包层表面作为第一包层传感区2-1，多模光纤3经过研磨形成角度为β的斜面3-1，单模光纤的研磨成斜面的一端与多模光纤的研磨成斜面的一端焊接，在第一包层传感区2-1、第二包层传感区2-2和纤芯传感区2-3上均镀有传感膜。
本发明的多通道表面等离子体共振光纤传感探针还可以包括：
1、偏双芯光纤第一纤芯位于包层的中心，第二纤芯与第一纤芯的间距d大于单模光纤的纤芯半径。
2、单模光纤研磨出的斜面的研磨角度α与多模光纤研磨的斜面的研磨角度β相等，为12°至17°。
3、多模光纤为阶跃折射率多模光纤，其纤芯直径等于或者大于单模光纤的包层直径。
4、所述的传感膜是金膜或者银膜，厚度为35～55nm。
5、单模光纤的长度为1～2cm。
6、单模光纤与多模光纤焊接后，单模光纤上的斜面与多模光纤上的斜面平行。
利用本发明的多通道表面等离子体共振光纤传感探针的测量方法为用于测量溶液的折射率，具体包括以下步骤：
(1)、多通道表面等离子体共振光纤传感探针的两端剥除涂覆层20～30mm，将两端面切割平整；
(2)、使用光谱范围覆盖450～1200nm的超连续谱光源，将光耦合到偏双芯光纤1的第二纤芯1-2中；
(3)、将多模光纤3连接至光谱仪，并调整光谱仪的检测波长范围为450～1200nm；
(4)、用光谱仪采集一组该多通道表面等离子体共振光纤传感探针放置在空气中时的光谱作为参考光谱；
(5)、将单模光纤2放置在需要测量的液体中，用光谱仪采集光谱，并与步骤4中的参考光谱做差，由于包层光通路的光在第一包层传感区2-1和第二包层传感区2-2先后发生表面等离子体共振，做差后的光谱中在某两个波长处光强明显减弱，即表面等离子体共振波长，其中，短波长为第一包层传感区2-1的共振波长，长波长为第二包层传感区2-2的共振波长；
(6)、通过多通道表面等离子体共振光纤传感探针的标定曲线，由共振波长得到所测溶液的折射率。
本发明将时分复用技术和波分复用技术相结合，有效地利用单模光纤的纤芯和包层实现了多种物质的检测。偏双芯光纤的第一纤芯1-1通光时，光沿着单模光纤的纤芯传输并在纤芯传感区2-3发生SPR，然后全反射到斜面3-1被多模光纤3收集；偏双芯光纤的第二纤芯1-2通光时，光沿着单模光纤的包层以高阶模的形态传输，先在第一包层传感区2-1发生SPR，再到达单模光纤的斜面并在第二包层传感区2-2发生SPR，两次SPR的共振波长差异显著因此实现波分复用的多通道传感；在不同时刻对偏双芯光纤的第一纤芯1-1和第二纤芯1-2注光实现时分复用的多通道传感。
本发明的优点在于：
1、利用廉价的单模光纤作为载体光纤，用纤芯和包层实现多通道SPR传感。
2、单模光纤的纤芯光通路独立工作时可以实现传统的单级SPR传感，包层光通路独立工作时利用波分复用技术实现多通道SPR传感，通过时分复用技术使两个光通路间歇工作可以实现对三种待测物的检测。
3、纤芯传感区可以作为参考通道，用来消除温度、杂质以及其他系统因素对传感探针的影响，提高检测精度。
附图说明
图1为本发明的多通道SPR光纤传感探针的三维结构示意图。
图2为偏双芯光纤1的截面图。
图3为经过研磨的单模光纤2的剖面图。
图4为当偏双芯光纤1的第一纤芯1-1通光时的光路轨迹图。
图5为当偏双芯光纤1的第二纤芯1-2通光时的光路轨迹图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明进行更为详细的论述：
结合图1，本发明的多通道SPR光纤传感探针包括偏双芯光纤1、单模光纤2和多模光纤3。偏双芯光纤与单模光纤焊接，并使偏双芯光纤的第一纤芯1-1对准单模光纤的纤芯；单模光纤一端研磨出角度为α的斜面形成第二包层传感区2-2和纤芯传感区2-3，单模光纤的包层表面作为第一包层传感区2-1；多模光纤3经过研磨形成角度为β的斜面3-1，并将研磨成斜面的单模光纤端和多模光纤端焊接，使光能够被全部收集；在第一包层传感区2-1、第二包层传感区2-2和纤芯传感区2-3上均镀有传感膜；偏双芯光纤的第一纤芯1-1通光时，光沿着单模光纤的纤芯传输并在纤芯传感区2-3发生SPR，然后全反射到斜面3-1被多模光纤3收集；偏双芯光纤的第二纤芯1-2通光时，光沿着单模光纤的包层以高阶模的形态传输，先在第一包层传感区2-1发生SPR，再到达单模光纤的斜面并在第二包层传感区2-2发生SPR，两次SPR的共振波长差异显著因此实现波分复用的多通道传感；在不同时刻对偏双芯光纤的第一纤芯1-1和第二纤芯1-2注光实现时分复用的多通道传感。
偏双芯光纤1的第一纤芯1-1和第二纤芯1-2，其间距d大于单模光纤2的纤芯半径。
单模光纤2的长度选择为1～2cm。
多模光纤3可以是阶跃折射率多模光纤，其纤芯直径等于或者大于单模光纤的包层直径，可以把光全部收集。
单模光纤2的研磨斜面和多模光纤3的研磨斜面3-1有相同的研磨角度，α＝β，且12°<α<17°，研磨角度的大小影响检测范围和灵敏度。
传感膜可以是金膜或者银膜，厚度为35～55nm。
本发明的多通道SPR光纤传感探针，可以采用如下制作方法制作：
1、取一段偏双芯光纤1，在光纤的一端，剥除光纤的涂覆层20～30mm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁后备用。
2、用光纤切割刀将清洁后的偏双芯光纤端面切割平整。
3、另外取一段单模光纤2，长度约为5cm，剥除光纤的涂覆层，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁后备用。
4、用光纤切割刀将清洁后的单模光纤端面切割平整。
5、使用光纤焊接机将偏双芯光纤1和单模光纤2进行焊接，使偏双芯光纤的第一纤芯1-1与单模光纤的纤芯正对。
6、使用光纤切割刀，将焊接后的光纤切割使单模光纤(2)的长度约为2cm。
7、使用光纤研磨机，对步骤6中焊接在偏双芯光纤1上的单模光纤2进行研磨，形成角度为α的斜面，12°<α<17°，研磨深度刚好超过单模光纤的纤芯。
8、取一段纤芯直径大于125u的阶跃折射率多模光纤3，在一端剥除涂覆层并切割平整，使用光纤研磨机研磨出斜面3-1，其角度和深度与步骤7中的单模光纤斜面一致。
9、使用光纤焊接机，将经过研磨的单模光纤2一端和经过研磨过的多模光纤3一端进行焊接，使两个斜面平行，调整焊接电流和焊接时间使光纤在焊接时不变形。
10、使用等离子清洗机，对光纤焊接点及附近进行清洁。
11、利用离子溅射真空镀膜技术，在单模光纤2的包层表面和经过研磨形成的斜面镀上50nm金膜。
利用此多通道SPR光纤传感探针的包层光通路实现对液体折射率的测量。具体步骤如下：
1、取一个制作完成的多通道SPR光纤传感探针，两端剥除涂覆层20～30mm，用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁，并用光纤切割刀将两端面切割平整。
2、使用光谱范围覆盖450～1200nm的超连续谱光源，将光耦合到偏双芯光纤1的第二纤芯1-2中。
3、将多模光纤3连接至光谱仪，并调整光谱仪的检测波长范围为450～1200nm。
4、用光谱仪采集一组该光纤传感探针放置在空气中时的光谱作为参考光谱。
5、将传感探针中的单模光纤2放置在需要测量的液体中，用光谱仪采集此光谱，并与步骤4中的参考光谱做差，由于包层光通路的光在第一包层传感区2-1和第二包层传感区2-2先后发生SPR，因此做差后的光谱中在某两个波长处光强明显的减弱，即SPR共振波长，其中，短波长为第一包层传感区2-1的共振波长，长波长为第二包层传感区2-2的共振波长。
6、通过该传感探针的标定曲线，就可以由共振波长得到所测溶液的折射率。
利用此多通道SPR光纤传感探针的纤芯光通路实现对液体折射率的测量。具体步骤如下：
与包层光通路的测量步骤相似，将超连续谱光源的光耦合到偏双芯光纤1的第一纤芯1-1中，经过单模光纤的纤芯传输并在纤芯传感区2-3发生SPR，用光谱仪处理即可以得到该传感区的共振波长，再由标定曲线即可以得到纤芯传感区2-3附近的液体折射率。另外，可以用纤芯传感区2-3标定温度对SPR传感的影响，因此来提高第一包层传感区2-1和第二包层传感区2-2的检测精度。

Claims (10)

1.一种多通道表面等离子体共振光纤传感探针，包括偏双芯光纤(1)、单模光纤(2)和多模光纤(3)，其特征是：偏双芯光纤与单模光纤焊接，偏双芯光纤的第一纤芯(1-1)与单模光纤的纤芯对准，单模光纤一端研磨出角度为α的斜面形成第二包层传感区(2-2)和纤芯传感区(2-3)，单模光纤的包层表面作为第一包层传感区(2-1)，多模光纤(3)经过研磨形成角度为β的斜面(3-1)，单模光纤的研磨成斜面的一端与多模光纤的研磨成斜面的一端焊接，在第一包层传感区(2-1)、第二包层传感区(2-2)和纤芯传感区(2-3)上均镀有传感膜。
2.根据权利要求1所述的多通道表面等离子体共振光纤传感探针，其特征是：偏双芯光纤第一纤芯位于包层的中心，第二纤芯与第一纤芯的间距d大于单模光纤的纤芯半径。
3.根据权利要求2所述的多通道表面等离子体共振光纤传感探针，其特征是：单模光纤研磨出的斜面的研磨角度α与多模光纤研磨的斜面的研磨角度β相等，为12°至17°。
4.根据权利要求3所述的多通道表面等离子体共振光纤传感探针，其特征是：多模光纤为阶跃折射率多模光纤，其纤芯直径等于或者大于单模光纤的包层直径。
5.根据权利要求4所述的多通道表面等离子体共振光纤传感探针，其特征是：所述的传感膜是金膜或者银膜，厚度为35～55nm。
6.根据权利要求5所述的多通道表面等离子体共振光纤传感探针，其特征是：单模光纤的长度为1～2cm。
7.根据权利要求6所述的多通道表面等离子体共振光纤传感探针，其特征是：单模光纤与多模光纤焊接后，单模光纤上的斜面与多模光纤上的斜面平行。
8.一种用权利要求1所述的多通道表面等离子体共振光纤传感探针的测量方法，其特征是：
(1)、多通道表面等离子体共振光纤传感探针的两端剥除涂覆层20～30mm，将两端面切割平整；
(2)、使用光谱范围覆盖450～1200nm的超连续谱光源，将光耦合到偏双芯光纤(1)的第二纤芯(1-2)中；
(3)、将多模光纤(3)连接至光谱仪，并调整光谱仪的检测波长范围为450～1200nm；
(4)、用光谱仪采集一组该多通道表面等离子体共振光纤传感探针放置在空气中时的光谱作为参考光谱；
(5)、将单模光纤(2)放置在需要测量的液体中，用光谱仪采集光谱，并与步骤(4)中的参考光谱做差，由于包层光通路的光在第一包层传感区(2-1)和第二包层传感区(2-2)先后发生表面等离子体共振，做差后的光谱中在某两个波长处光强明显减弱，即表面等离子体共振波长，其中，短波长为第一包层传感区(2-1)的共振波长，长波长为第二包层传感区(2-2)的共振波长；
(6)、通过多通道表面等离子体共振光纤传感探针的标定曲线，由共振波长得到所测溶液的折射率。
9.根据权利要求8所述的利用多通道表面等离子体共振光纤传感探针的测量方法，其特征是：用纤芯传感区(2-3)标定温度对表面等离子体共振传感的影响。
10.一种用权利要求1所述的多通道表面等离子体共振光纤传感探针的测量方法，其特征是：
(1)、多通道表面等离子体共振光纤传感探针的两端剥除涂覆层20～30mm，将两端面切割平整；
(2)、使用光谱范围覆盖450～1200nm的超连续谱光源，将超连续谱光源的光耦合到偏双芯光纤(1)的第一纤芯(1-1)中；
(3)、将多模光纤(3)连接至光谱仪，并调整光谱仪的检测波长范围为450～1200nm；
(4)、用光谱仪采集一组该多通道表面等离子体共振光纤传感探针放置在空气中时的光谱作为参考光谱；
(5)、将单模光纤(2)放置在需要测量的液体中，用光谱仪采集光谱，并与步骤(4)中的参考光谱做差，经过单模光纤的纤芯的光在纤芯传感区(2-3)发生表面等离子体共振，用光谱仪处理得到纤芯传感区(2-3)的共振波长；
(6)、通过多通道表面等离子体共振光纤传感探针的标定曲线，再由标定曲线得到纤芯传感区(2-3)附近的液体折射率。
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