CN107219198A - 折射率传感器、其制备方法及折射率检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光纤传感技术领域，提供了一种折射率传感器及其制备方法，其中，所述折射率传感器包括：一段光子晶体光纤和嵌在所述光子晶体光纤的包层空气孔中的探针；光子晶体光纤的纤芯为实芯，嵌有探针的包层空气孔与纤芯相邻，探针为贵金属探针，探针包括探身和探头，探身为圆柱形结构，探头为圆锥形结构，探身的其中一段嵌入所述包层空气孔，探身的另一段和所述探头裸露在外面；本发明提供的折射率传感器结构简单、使用方便并且灵敏度高；本发明还提供了一种折射率检测装置，包括上述折射率传感器，其通过检测探针与光子晶体光纤的纤芯中的光信号产生的表面等离子共振的共振峰波长的变化即可实现对待测液体折射率的检测，具有较高的灵敏度。

Description

折射率传感器、其制备方法及折射率检测装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种折射率传感器、其制备方法及折射率检测装置。

背景技术

现有的用于测液体折射率的传感器一般都是基于普通光纤制成的折射率传感器，这种基于普通光纤制成的折射率传感器灵敏度普遍比较低。

而基于光子晶体光纤(PCF，Photonic Crystal Fibers)的表面等离子共振(SPR，Surface Plasmon Resonance)传感器也是一种折射率传感器，主要就是用于测液体折射率的，这种基于光子晶体光纤的SPR传感器测液体折射率灵敏度高，但是现在关于这种基于光子晶体光纤的SPR传感器大多都停留在理论研究上，少有人提出真正的可实现的结构，这在很大程度上限制了PCF-SPR传感器的发展；因此，迫切需要提出一种可实现的PCF-SPR传感器。

发明内容

本发明提供一种折射率传感器、其制备方法及折射率检测装置，旨在提供一种结构简单、使用方便并且灵敏度高的基于光子晶体光纤的表面等离子共振传感器。

本发明提供了一种折射率传感器，所述折射率传感器包括：一段光子晶体光纤和嵌在所述光子晶体光纤的包层空气孔中的探针；

所述光子晶体光纤的纤芯为实芯，嵌有探针的包层空气孔与所述纤芯相邻，所述探针为贵金属探针，所述探针包括探身和探头，所述探身为圆柱形结构，探头为圆锥形结构，所述探身的其中一段嵌入所述包层空气孔，所述探身的另一段和所述探头裸露在外面。

进一步地，所述探针的个数为一根，一根所述探针嵌在所述光子晶体光纤的一个包层空气孔中。

进一步地，所述贵金属探针为金探针或银探针。

进一步地，嵌入所述包层空气孔中的一段探身的长度为0.5cm-2cm，裸露在外面的一段探身的长度为1μm-3μm，所述探头的长度为0.5μm-2μm。

进一步地，所述光子晶体光纤的端面分布的包层空气孔的整体形状为六边形。

本发明还提供了上述折射率传感器的制备方法，其特征在于，包括：

用选择性开孔技术在一段光子晶体光纤的一端选择性打开包层空气孔，而堵住其它包层空气孔；

往所述光子晶体光纤选择性打开的包层空气孔中填充贵金属；

将所述光子晶体光纤中填充的贵金属加工成探针结构，制成具有探针结构的所述折射率传感器。

进一步地，所述选择性开孔技术包括：

将所述光子晶体光纤的一端与单模光纤熔接，且在距离熔接点10μm处切断所述单模光纤，以使剩余的单模光纤薄片封住所述光子晶体光纤的全部包层空气孔且所述包层空气孔可见，利用飞秒激光微加工技术对任意与所述光子晶体光纤的纤芯相邻的包层空气孔选择性开孔；

所述往光子晶体光纤选择性打开的包层空气孔中填充贵金属包括：

将所述光子晶体光纤选择性开孔的一端与玻璃管的一端熔接，并在玻璃管内放入贵金属；在所述玻璃管的另一端接入高压，同时对放置有所述贵金属的那段玻璃管以及待填充的那段光子晶体光纤加热，以使得所述高压将融化后的贵金属压入所述光子晶体光纤的选择性打开的包层空气孔中；

所述将所述光子晶体光纤中填充的贵金属加工成探针结构，制成探针结构的折射率传感器，包括：

在所述贵金属冷却成型后，切除熔接的玻璃管和所述单模光纤薄片，对所述光子晶体光纤的填充有贵金属的一端进行化学腐蚀，使部分圆柱形的贵金属暴露出来，并对暴露出的圆柱形的贵金属的顶端进行磨削，加工成圆锥形结构，从而形成所述探针。

本发明还提供了一种折射率检测装置，其特征在于，包括上述折射率传感器。

进一步地，所述折射率检测装置还包括光源、光纤光谱仪和耦合器，所述耦合器的第一端和所述光源连接，第二端和所述光纤光谱仪连接，第三端和所述折射率传感器连接。

进一步地，所述耦合器和所述折射率传感器之间通过多模光纤连接；所述光源为连续宽带光源，所述连续宽带光源和所述耦合器之间沿光路方向还包括起偏器和偏振控制器，所述连续宽带光源、起偏器、偏振控制器和耦合器依次连接，且通过单模光纤连接，所述光纤光谱仪和所述耦合器之间通过单模光纤连接。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种折射率传感器、其制备方法及折射率检测装置，其中，折射率传感器为一种探针结构的传感器件，包括一段光子晶体光纤和嵌在光子晶体光纤的与纤芯相邻的包层空气孔中的贵金属探针，其具有体积小，结构简单，集成度高的特点；并且，采用本发明提供的折射率检测装置对待测液体进行折射率检测时，只需将折射率传感器裸露在外面的探针部分置于待测液体环境中，通过检测探针与纤芯中的光信号产生的表面等离子共振的共振峰波长的变化即可实现对待测液体折射率的检测，使用起来比较方便，并且具有较高的灵敏度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种折射率传感器的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种填充有贵金属的光子晶体光纤端面分布的包层空气孔为六边形的横截面的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种折射率检测装置的示意图。

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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种折射率传感器，如图1所示，所述折射率传感器包括：一段光子晶体光纤10和嵌在所述光子晶体光纤的包层空气孔中的探针11；所述光子晶体光纤10包括纤芯101和多个包层空气孔102，所述纤芯101为实芯，嵌有探针11的所述包层空气孔与所述纤芯101相邻，所述探针11为贵金属探针，所述探针11包括探身和探头，所述探身为圆柱形结构，探头为圆锥形结构，所述探身的其中一段嵌入所述包层空气孔，所述探身的另一段和所述探头裸露在外面。

具体地，本发明实施例提供的所述贵金属探针为金探针；事实上，所述贵金属探针也可以为银探针。

具体地，嵌入所述包层空气孔中的一段探身的长度为0.5cm-2cm，裸露在外面的一段探身的长度为1μm-3μm，所述探头的长度为0.5μm-2μm。

具体地，本发明实施例提供的所述光子晶体光纤的端面分布的包层空气孔为六边形密排的结构，所述纤芯位于这种六边形密排结构的包层空气孔的中心，如图2所示；事实上，本发明实施例提供的这种包层空气孔为六边形密排的光子晶体光纤也可以使用其它排布方式的光子晶体光纤替代，并且包层空气孔的孔径大小也没有特殊的限制，只要将贵金属填充入空气孔可以与纤芯里传输的光信号产生的倏逝场实现表面等离子共振即可。

下面具体介绍这种折射率传感器的制备方法：

步骤S1，用选择性开孔技术在一段光子晶体光纤的一端选择性打开包层空气孔，而堵住其它包层空气孔；

具体地，所述选择性开孔技术包括：将光子晶体光纤的一端和单模光纤熔接，并利用显微镜辅助观察的切割技术在距离熔接点约10μm处切断单模光纤，目的是用一段单模光纤薄片封住光子晶体光纤的全部包层空气孔，并且从所述单模光纤端面还能观察到包层空气孔的位置。利用飞秒激光微加工技术对与所述光子晶体光纤的纤芯相邻的一个包层空气孔选择性开孔，以把需要填充的一个包层空气孔打开。

具体地，本发明实施例是以在一个包层空气孔中嵌入一根探针为例来讲述该折射率传感器的制备方法，本发明实施例提供的需要填充的一个包层空气孔为与纤芯相邻的空气孔中的任意一个，通过在该包层空气孔中填充金的方式来嵌入探针。

步骤S2，往所述光子晶体光纤选择性打开的包层空气孔中填充贵金属；

具体地，采用的填充方法是将光子晶体光纤选择性开孔的一端与玻璃管的一端熔接，并在玻璃管内放入金丝，在所述玻璃管的另一端接入高压，同时对金丝放置在玻璃管中所处的那段以及光子晶体光纤需要填充的那段加热，将金融化后，用高压即可将金压入光子晶体光纤的选择性打开的包层空气孔中。

具体地，所述玻璃管的外径为125μm，与光子晶体光纤外径相同，内径为75μm；金丝的直径为50μm，接入的高压约为2MPa，金的熔点为1064.18摄氏度，在具体加热的时候，会加热到1100度，已经超过金的熔点。

步骤S3，将所述光子晶体光纤中填充的贵金属加工成探针结构，制成具有探针结构的所述折射率传感器；

具体地，将金填充进入之后冷却凝固，变成圆柱形。然后将熔接的玻璃管和所述单模光纤薄片切下来，对所述光子晶体光纤的填充有金的一端进行化学腐蚀，使部分圆柱形的金暴露出来，并对暴露出的圆柱形的金的顶端进行磨削，加工成圆锥形结构，从而形成所述探针；该探针的探身的其中一段嵌在所述光子晶体光纤的包层空气孔中，另一段和探头裸露在外面。

事实上，关于上述步骤，不仅限于通过填充金的方式来嵌入探针，也可以通过填充银的方式来嵌入探针。

本发明提供的一种折射率传感器为一种新型探针结构的传感器件，包括一段光子晶体光纤和嵌在光子晶体光纤的与纤芯相邻的包层空气孔中的贵金属探针，其具有体积小，结构简单，集成度高，稳定性好的特点，并且使用方便，可应用在生化领域。

本发明实施例还提供了一种折射率检测装置，如图3所示，包括折射率传感器1，还包括光源2、光纤光谱仪3和耦合器4，所述耦合器4的第一端和所述光源1连接，第二端和所述光纤光谱仪3连接，第三端和所述折射率传感器1连接。

具体地，所述耦合器4和所述折射率传感器1之间通过多模光纤连接，更具体地，所述折射率传感器1和所述耦合器4的连接方式为，首先将光子晶体光纤没有填充金的部分切掉，然后将露出的端面与所述多模光纤的一端熔接，另一端与所述耦合器4连接；所述光源2为连续宽带光源，所述连续宽带光源和所述耦合器4之间沿光路方向还包括起偏器5和偏振控制器6，所述连续宽带光源、起偏器5、偏振控制器6和耦合器4依次连接，且通过单模光纤连接，所述光纤光谱仪3和所述耦合器4之间通过单模光纤连接。

具体地，所述耦合器为1×2光纤分束器，需要说明的是，本发明附图中提供的是2×2光纤分束器，事实上，只需要1×2光纤分束器就可以满足要求。

本发明提供的折射率检测装置的工作原理为：光源2输出的光信号通过多模光纤传导入光子晶体光纤结构探头处，纤芯中的光信号在特定波长与包层空气孔中的金实现表面等离子共振，由此产生的表面等离子激元(SPP，Surface Plasmon Polariton)在微米范围内具有一定的传输特性，分布到裸露出的金探针探头。当金探针探头周围折射率的变化，会影响到探头表面的SPP，通过SPP的传导，进而使金与纤芯发生表面等离子共振的共振峰波长发生变化，纤芯中传导的光信号的损耗峰由此出现位移，载有传感信息的光信号在PCF的纤芯端面发生反射，通过光纤连接进入光谱仪4可实现对信号的检测。

本发明提供的一种折射率检测装置对待测液体进行折射率检测时，只需将折射率传感器裸露在外面的探针部分置于待测液体环境中，通过检测探针与纤芯中的光信号产生的表面等离子共振的共振峰波长的变化即可实现对待测液体折射率的检测，利用金表面等离子体实现传感应用具有较高的传感灵敏度；并且，将金填充入光子晶体光纤制备而成的探针器件，光源的输入光和反射回来的信号光都通过一根光子晶体光纤传输，传输过程中的损耗较少，具有较高的传输稳定性，提高了探针在传感检测中的易用性；另外，该折射率检测装置除了利用探针的表面等离子共振对液体折射率进行传感之外，也可以对电磁场环境进行探测，将裸露在外面的探针置于待测电磁场中，当电磁场的信号强度发生变化时，利用探针的表面等离子共振，也可以实现检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器包括：一段光子晶体光纤和嵌在所述光子晶体光纤的包层空气孔中的探针；

所述光子晶体光纤的纤芯为实芯，嵌有探针的包层空气孔与所述纤芯相邻，所述探针为贵金属探针，所述探针包括探身和探头，所述探身为圆柱形结构，探头为圆锥形结构，所述探身的其中一段嵌入所述包层空气孔，所述探身的另一段和所述探头裸露在外面。

2.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述探针的个数为一根，一根所述探针嵌在所述光子晶体光纤的一个包层空气孔中。

3.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述贵金属探针为金探针或银探针。

4.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，嵌入所述包层空气孔中的一段探身的长度为0.5cm-2cm，裸露在外面的一段探身的长度为1μm-3μm，所述探头的长度为0.5μm-2μm。

5.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述光子晶体光纤的端面分布的包层空气孔的整体形状为六边形。

6.一种如权利要求1-5任一项权利要求所述的折射率传感器的制备方法，其特征在于，包括：

用选择性开孔技术在一段光子晶体光纤的一端选择性打开包层空气孔，而堵住其它包层空气孔；

往所述光子晶体光纤选择性打开的包层空气孔中填充贵金属；

将所述光子晶体光纤中填充的贵金属加工成探针结构，制成具有探针结构的所述折射率传感器。

7.如权利要求6所述的折射率传感器的制备方法，其特征在于，所述选择性开孔技术包括：

将所述光子晶体光纤的一端与单模光纤熔接，且在距离熔接点10μm处切断所述单模光纤，以使剩余的单模光纤薄片封住所述光子晶体光纤的全部包层空气孔且所述包层空气孔可见，利用飞秒激光微加工技术对任意与所述光子晶体光纤的纤芯相邻的包层空气孔选择性开孔；

所述往光子晶体光纤选择性打开的包层空气孔中填充贵金属包括：

将所述光子晶体光纤选择性开孔的一端与玻璃管的一端熔接，并在玻璃管内放入贵金属；在所述玻璃管的另一端接入高压，同时对放置有所述贵金属的那段玻璃管以及待填充的那段光子晶体光纤加热，以使得所述高压将融化后的贵金属压入所述光子晶体光纤的选择性打开的包层空气孔中；

所述将所述光子晶体光纤中填充的贵金属加工成探针结构，制成探针结构的折射率传感器，包括：

在所述贵金属冷却成型后，切除熔接的玻璃管和所述单模光纤薄片，对所述光子晶体光纤的填充有贵金属的一端进行化学腐蚀，使部分圆柱形的贵金属暴露出来，并对暴露出的圆柱形的贵金属的顶端进行磨削，加工成圆锥形结构，从而形成所述探针。

8.一种折射率检测装置，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的折射率传感器。

9.如权利要求8所述的折射率检测装置，其特征在于，所述折射率检测装置还包括光源、光纤光谱仪和耦合器，所述耦合器的第一端和所述光源连接，第二端和所述光纤光谱仪连接，第三端和所述折射率传感器连接。

10.如权利要求9所述的折射率检测装置，其特征在于，所述耦合器和所述折射率传感器之间通过多模光纤连接；所述光源为连续宽带光源，所述连续宽带光源和所述耦合器之间沿光路方向还包括起偏器和偏振控制器，所述连续宽带光源、起偏器、偏振控制器和耦合器依次连接，且通过单模光纤连接，所述光纤光谱仪和所述耦合器之间通过单模光纤连接。