CN106841108A - 一种纤芯折射率可调的光纤spr传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纤芯折射率可调整的光纤SPR传感器及其制作方法，包括光源、注光光纤、构建的纤芯折射率可调特种光纤、收光光纤、光谱仪，其技术方案要点是：光源发出的光由接收光纤接收后传入纤芯折射率可调的特种光纤；对设计制作的纤芯折射率可调特种光纤进行部分表面腐蚀并镀50nm金膜加工后产生SPR现象；用直径较大的多模光纤对输出光场进行接收并将光信号传输到光谱仪进行信号采集和解调；将制作完成的SPR传感探针置于待测液体环境中，通过光谱仪解调出的SPR共振波长即可检测液体的折射率。本发明涉及的纤芯折射率可调的光纤SPR传感器具有用低折射率紫外固化胶制成光纤纤芯，解决光纤型SPR传感器纤芯折射率不可调，进而检测范围难以调整的问题。

Description

一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于光纤SPR传感器领域，特别涉及一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器。
背景技术
SPR传感器通常基于Kretschmann结构，由薄的高导电金属(常见的是金或者银)层覆盖在棱镜表面组成。其反射光谱的特性对临近金属层外侧介质的折射率是高度敏感的。
1902年Wood(Proceedings of the Physical Society of London，269-275，1902)首次发现连续光谱的偏振光照射金属光栅时会发生反常的衍射现象，由此意识到表面等离子波的存在，并做了公开描述。1957年，Ritchie(Phys.Rev，874-881，1957)通过研究发现，电子透过金属薄片时，会有能量消失峰，他将这种消失峰称为“能量降低的”等离子体模式，并给出等离子体模式与薄膜边界的关系，首次提出了用于描述金属内部电子密度进行纵向波动的“金属等离子体”概念。
1971年，德国的物理学者Kretschmann(Z.physick，313-324，1971)在Otto模型的基础上提出另外一种模型，即直接将金属薄膜镀制在棱镜底部，这样克服了控制间隙厚度的困难，并对这种模型进行了详细的理论分析，我们称之为Kretschmann模型。美国华盛顿大学R.C.Jorgenson(Sensors and Actuators B，213–220，1993)博士于1993年和他的导师S.S.Yee通过实验和理论分析提出了光纤SPR生物传感器的概念，不再使用体积较大的棱镜而是利用多模光纤纤芯作为激发SPR效应的载体，设计出第一个光纤SPR生物传感器，并且用白光光源代替了单色光源。
由于SPR现象对与产生表面等离子激元金属薄膜接触待测介质的折射率极其灵敏，可以用光纤SPR传感器检测待测介质折射率，并且其结果更为精确。但是，受光纤纤芯折射率的影响，光纤SPR传感器可测折射率的范围也受到制约，于是调节光纤纤芯折射率就成为一个新的努力方向。如Jorgenson(Sensors and Actuators A，1994)通过使用蓝宝石光纤，将光纤SPR的动态响应范围整体向短波长调整，并使其测量范围上限扩展到1.70，但是蓝宝石光纤价格昂贵，对于光纤型SPR传感器改变纤芯材质较为困难。
基于此，本发明提出了一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器及其制作方法。利用紫外固化胶注入空心光纤或者毛细管光纤的方法实现纤芯折射率的调节，然后对设计制作的特种光纤表面进行部分腐蚀并镀制50nm金属膜的方法制作光纤SPR探针，将该光纤SPR探针置于待测液体环境中，通过接收光纤和输出光纤的连接，可以在光谱仪上观察到反射光谱出现反射率急剧下降的共振谷即SPR现象，从而根据共振谷的位置进行液体折射率高灵敏检测。纤芯折射率可调的光纤SPR传感器具有纤芯折射率可通过更换不同折射率的紫外固化胶从而进行调节的特性，因而能够更大折射率范围的待测液体进行检测，并且为波分复用型SPR多通道检测奠定技术基础。
发明内容
发明的目的在于提供一种基于光纤、结构紧凑、操作方便的纤芯折射率可调的光纤SPR传感器。本发明利用紫外固化胶注入空心光纤或者毛细管光纤中改变纤芯折射率从而制的纤芯折射率可调的特种光纤，利用该纤芯折射率可调的特种光纤进行部分表面的腐蚀和镀制金属膜从而获得纤芯折射率可调的光纤SPR探针，然后接入光路并将SPR探针置于待测液体环境中，实现待测液体折射率的检测。
一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，包括超连续谱光源1、注光光纤2、构建的纤芯折射率可调特种光纤3、收光光纤4、光谱仪5；其特征在于：超连续谱光源1发出的光由注光光纤2接收并传输进入纤芯折射率可调的特种光纤3中，对设计制作的纤芯折射率可调特种光纤3进行部分表面腐蚀并在腐蚀处镀50nm金膜加工，构成光纤SPR探针；用直径较大的多模光纤作为收光光纤4对输出光场进行接收并将光信号传输到光谱仪5进行信号采集和解调；将制作完成的SPR传感探针置于待测液体环境中，通过光谱仪5解调出的SPR共振波长即可检测液体的折射率。
所述的一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的超连续谱光源1波长范围需覆盖500nm至1000nm波段，可以是卤素灯宽谱光源，也可以是光子晶体光纤宽谱光源。
所述的一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的注光光纤2是单模或少模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为4μm至10μm。
所述的一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的纤芯折射率可调的特种光纤3制作方法为，用氢氧焰拉锥法将光纤包层预制石英管拉制成内径125μm的空心毛细管，用微流控泵将超低折射率紫外固化胶吸入空心毛细管，先用紫外灯固化毛细管端头紫外固化胶，用微流泵对毛细管中未固化的紫外固化胶进行加压，一边加压一边固化，防止紫外固化胶固化时收缩产生断节，固化后将毛细管两端切割，用裸光纤端面研磨技术磨平两端面，更换不同折射率的紫外固化胶，即可改变纤芯折射率。
所述的一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的收光光纤4是多模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为50μm至125μm，纤芯折射率可以为渐变型，也可以为阶跃型。
所述的一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的纤芯折射率可调的特种光纤3制成的SPR探针，是用氢氟酸将制成的特种光纤表面的石英毛细管腐蚀去掉1-2cm，并用等离子溅射技术在裸露的紫外固化胶上镀制50nm金膜后银膜制成；与注光光纤2、收光光纤4的连接可以采用制作完成后进行光纤焊接连接，也可以在特种光纤制作时，石英毛细管抽取紫外固话胶后，将两光纤插入后再行固化，直接将两光纤以紫外固化胶固化的方式与特种光纤完成连接。
基于以上分析，我们用一段普通单模光纤与一段中间注入紫外固化胶的中空毛细管光纤对接，拉锥制成的毛细管光纤折射率1.4446，外径250μm，内径125μm，长度约为2cm。理论仿真光源波长从500nm到1000nm，实验装置如图1所示，不同折射率紫外固化胶在光谱仪可显示解调共振波长500nm至1000nm范围内，可检测的折射率范围计算结果如图4所示。
从图中可以看出，通过降低特种光纤纤芯折射率，相同折射率溶液中SPR光谱共振谷出现蓝移，可以检测折射率范围即向低折射率扩大；通过升高特种光纤纤芯折射率，相同折射率溶液中SPR光谱共振谷出现红移，可以检测折射率范围即向高折射率扩大。合理调整紫外固化胶折射率，可测量超高折射率或者超低折射率待测物质。
附图说明
图1为纤芯折射率可调的光纤SPR传感器工作系统示意图。
图2为纤芯折射率可调的全光纤SPR探针示意图。
图3为图2中AA′、BB′和CC′平面对应的剖面图，其中图(a)为单模光纤剖面图对应于AA′平面；图(b)为纤芯折射率可调特种光纤剖面图，对应于BB′平面；图(c)为多模光纤剖面图，对应于CC′平面。
图4为不同纤芯折射率时待测溶液折射率与共振波长理论仿真图。
具体实施方式
以下结合实施案例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明可以通过如下的方式实现：如图1所示。
图1中1为超连续谱光源，2为注光光纤，3为纤芯折射率可调的特种光纤，4为收光光纤，5为光谱仪。光源1发出的光通过注光光纤2传输进入置于待测液体环境中的纤芯折射率可调的特种光纤3，纤芯折射率可调的特种光纤3的出射光场由收光光纤4将光信号传输到光谱仪5，从而可以得到具有共振谷的反射SPR光谱，经过折射率标定后即可对待测液体折射率进行检测。
实施案例：纤芯折射率可调的光纤SPR传感器的制作。步骤如下：
1、首先取一2m单模光纤，将单模光纤一端用光纤剥线钳剥除光纤涂覆层3cm，用酒精将光纤包层清洗干净。用光纤切割刀将光纤端面切平后用裸纤适配器接入超连续谱光源出光插口。
2、取50cm光纤拉锥机拉制好的毛细管光纤，其光纤折射率为1.4446，外径250μm，内经125μm。将针管夹持在微流控泵上，点胶针头与毛细管光纤用环氧胶密封，将紫外固化胶吸入毛细管光纤中，先用紫外灯固化毛细管端头紫外固化胶，用微流泵对毛细管中未固化的紫外固化胶进行加压，一边加压一边固化，防止紫外固化胶固化时收缩产生断节，固化后将毛细管两端切割，用裸光纤端面研磨系统磨平两端面。在光纤腐蚀盒中用氢氟酸将制作完成的特种光纤中部腐蚀1.5cm，将毛细管光纤腐蚀掉，露出紫外固化胶制成的纤芯即可。
3、利用小型等离子溅射真空镀膜机，装载金靶后，在2×10-1mbar真空稳定度下，加载5mA溅射电流对制作的特种光纤腐蚀面镀膜3.5分钟，此时即在毛细管光纤腐蚀表面上镀制了一层50nm厚的金膜。
4、取2m纤芯直径110μm阶跃折射率多模光纤，将其一端经涂覆层剥除、清洗、切割后留下2cm长度，放入光纤焊接机，将端面研磨平整的加工特种光纤放入光纤焊接机，与阶跃多模光纤进行对接。将插入超连续谱光源的单模光纤另一端处理后与加工的特种光纤另一端焊接。
5、将阶跃多模光纤未对接的一端与光谱仪连接即完成纤芯折射率可调的光纤SPR传感器实验装置的制作。将制作完成的SPR传感探针置于待测液体环境中，通过光谱仪解调出的SPR共振波长即可检测液体的折射率。更换不同折射率的紫外固化胶，即可改变纤芯折射率。

Claims (6)

1.一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，包括超连续谱光源1、注光光纤2、构建的纤芯折射率可调特种光纤3、收光光纤4、光谱仪5；其特征在于：超连续谱光源1发出的光由注光光纤2接收并传输进入纤芯折射率可调的特种光纤3中，对设计制作的纤芯折射率可调特种光纤3进行部分表面腐蚀并在腐蚀处镀50nm金膜加工，构成光纤SPR探针；用直径较大的多模光纤作为收光光纤4对输出光场进行接收并将光信号传输到光谱仪5进行信号采集和解调；将制作完成的SPR传感探针置于待测液体环境中，通过光谱仪5解调出的SPR共振波长即可检测液体的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的超连续谱光源1波长范围需覆盖500nm至1000nm波段，可以是卤素灯宽谱光源，也可以是光子晶体光纤宽谱光源。
3.根据权利要求1所述的一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的注光光纤2是单模或少模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为4μm至10μm。
4.根据权利要求1所述的一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的纤芯折射率可调的特种光纤3制作方法为，用氢氧焰拉锥法将光纤包层预制石英管拉制成内径125μm的空心毛细管，用微流控泵将超低折射率紫外固化胶吸入空心毛细管，先用紫外灯固化毛细管端头紫外固化胶，用微流泵对毛细管中未固化的紫外固化胶进行加压，一边加压一边固化，防止紫外固化胶固化时收缩产生断节，固化后将毛细管两端切割，用裸光纤端面研磨技术磨平两端面，更换不同折射率的紫外固化胶，即可改变纤芯折射率。
5.根据权利要求1所述的一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的收光光纤4是多模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为50μm至125μm，纤芯折射率可以为渐变型，也可以为阶跃型。
6.根据权利要求1所述的一种纤芯折射率可调的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的纤芯折射率可调的特种光纤3制成的SPR探针，是用氢氟酸将制成的特种光纤表面的石英毛细管腐蚀去掉1-2cm，并用等离子溅射技术在裸露的紫外固化胶上镀制50nm金膜后银膜制成；与注光光纤2、收光光纤4的连接可以采用制作完成后进行光纤焊接连接，也可以在特种光纤制作时，石英毛细管抽取紫外固话胶后，将两光纤插入后再行固化，直接将两光纤以紫外固化胶固化的方式与特种光纤完成连接。
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