CN107478605A - 一种u型塑料光纤长周期光栅表面等离子液体折射率传感器 - Google Patents

一种u型塑料光纤长周期光栅表面等离子液体折射率传感器 Download PDF

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Abstract

一种U型塑料光纤长周期光栅表面等离子液体折射率传感器，属于光纤传感技术领域。由光源、表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头以及光电检测装置组成，且该探头由(1)采用压模成型的方法在塑料光纤上制备出长周期光栅结构；(2)通过热定型将带有长周期光栅结构的塑料光纤制成U型塑料光纤长周期光栅探头；(3)在U型塑料光纤长周期光栅探头上镀上贵金属，得到表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头；(4)将表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头制备成可插拔式结构等步骤制备得到。该传感器采用波长调制的方案，很好地解决绝强度调制易受光源波动影响的问题，并且具有结构简单、操作方便、成本低廉，以及高分辨率等优点。

Description

一种U型塑料光纤长周期光栅表面等离子液体折射率传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种U型塑料光纤长周期光栅表面等离子液体折射率传感器。
背景技术
折射率的测量在化学和生物传感领域有着重要意义。而结构简单、价格低廉、可便携式使用的生化传感器具有非常诱人的应用前景。从临床诊断、传染病检测、以及有毒物探测等行业要求看，传感探头的低价格、可一次性使用，是人们追求的目标。近年来，利用光纤SPR技术测量液体折射率得到了广泛的研究，它具有不受电磁干扰、结构紧凑、可进行远程工作和可便携式使用等优点。
目前绝大部分光纤SPR基传感功能都是在石英光纤上实现的。与石英光纤相比较，塑料光纤具有生物兼容性好、质地柔软、柔韧性好、易于光纤结构的修饰和改造等优点，并且其可见光操作正好在常用SPR传感波段，十分有利于SPR基传感功能器件的实现。此外，商用塑料光纤的大芯径，使其与光源的耦合对准非常容易，是实现结构简单、低价格生化传感探头的理想光纤材料。但目前大多数基于塑料光纤的折射率传感器均采用强度调制的方案，其测量结果很容易受到光源波动的影响，分辨率较低。本发明提出将塑料光纤长周期光栅与表面等离子共振技术相结合，采用波长调制的方案，来实现塑料光纤折射率传感器。
发明内容
本发明提供一种结构简单、灵敏度高、成本低廉的U型塑料光纤长周期光栅表面等离子液体折射率传感器。该传感器采用波长调制的方案，很好地解决绝强度调制易受光源波动影响的问题，并且具有结构简单、操作方便、成本低廉，以及高分辨率等优点。
一种U型塑料光纤长周期光栅表面等离子液体折射率传感器，其由光源、表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头以及光电检测装置组成，该表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头由如下步骤制备得到，
(1)采用压模成型的方法在塑料光纤上制备出长周期光栅结构；
(2)通过热定型将带有长周期光栅结构的塑料光纤制成U型塑料光纤长周期光栅探头；
(3)在U型塑料光纤长周期光栅探头上镀上贵金属，得到表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头；
(4)将表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头制备成可插拔式结构。
具体的步骤如下：
1)首先将塑料光纤放置于钢制的具有周期性光栅结构的模具下面，使用夹具对钢制模具施加压力，在压力的作用下，在塑料光纤上形成沿中心轴线分布的长周期光栅结构；
2)利用热定型的方法制备U型塑料光纤长周期光栅探头：将塑料光纤不带有周期光栅结构的一侧表面环绕在一个加热至75～95℃的圆柱形钢柱上，之后在光纤的两端施加2～7N的拉力，从而得到U型塑料光纤长周期光栅探头；
3)然后采用真空蒸发或磁控溅射方式在U型塑料光纤长周期光栅探头的表面镀上贵金属(金或银)膜，得到表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头；
4)最后使用易于加工与定型的聚合物材料对表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头进行封装，将传感探头设计成可插拔，可更换的结构。
封装需要使用两块聚合物材料，其长(a)、宽(b)、高(c)的尺寸分别为a：1.2～20mm，b：10～20mm，c：5～10mm。其中一个聚合物材料用于固定光纤传感探头，另一个用于固定连接光纤探头与光源和探测器的光路。封装时，首先采用钢制的微细钻头分别在两个聚合物材料上钻两个大小一致且平行的小孔，小孔直径为250～1500μm，两孔间距为2～7mm。然后将光纤探头插入到其中一个聚合物材料的两个小孔当中，使其伸出5～10mm的长度，并在小孔的两端使用环氧树脂胶将其固定。同样，需要将连接光源与探测器的光纤插入到另一个聚合物材料的小孔当中，插入深度为3～8mm，而后再使用环氧树脂胶在其一端将塑料光纤进行固定。
本发明：
1、通过调节夹具所施加压力的大小，可以改变长周期光栅的深度；通过使用具有不同周期数的钢制模具，可以改变所制备塑料光纤长周期光栅的周期数。
2、U型塑料光纤探头的弯曲半径可以通过使用不同直径的圆柱形钢柱来改变。
3、通过改变所使用贵金属的质量，可以改变镀膜的厚度。
4、U型塑料光纤长周期光栅探头的结构设计，一方面可以提高光纤中芯层模与包层模和辐射模的耦合效率，产生更强的消逝场。另一方面，也有利于传感器的设计与操作。
所述的塑料光纤为多模商用塑料光纤，光纤的外径为250～1500μm，纤芯直径范围为240～1480μm，纤芯折射率为1.49，包层折射率为1.41。
所述的塑料光纤长周期光栅的深度为100～500μm，周期为100～1000μm。
所述的U型塑料光纤探头的弯曲半径为2～7mm。
所述的贵金属薄膜厚度为100～200nm。
所述传感器的光源可以是卤素灯，也可以是白光LED；所述的光电检测装置是可见光光谱仪。
本发明是利用U型塑料光纤长周期光栅探头处所产生的消逝场来激发出表面等离子体波，从而使光纤中的光场能量耦合到表面等离子体波中，产生共振吸收峰。金属薄膜表面附近的折射率变化会引起表面等离子体传播常数的变化，使入射光波与表面等离子体的耦合条件发生改变，从而引起透射光波共振吸收峰的偏移。因此，通过监测透射光波共振吸收峰的偏移，就能够得到待测样品的折射率变化。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明的折射率传感探头的制作工艺简单，不需要复杂的光栅写入设备，成本低廉，便于商业化生产。
2)本发明的折射率传感器采用卤素灯或者白光LED作为光源，其价格便宜；采用可见光光谱仪作为探测器，其体积小巧，便于集成，而且成本相对较低。
3)本发明的液体折射率传感探头采用可插拔式封装结构的设计，具有操作简单，安装与使用方便等优点。
4)本发明的塑料光纤液体折射率传感器采用波长调制的方式，具有较高的测量分辨率。
附图说明
图1是本发明的SPR基塑料光纤长周期光栅折射率传感器的整体示意图；其中1为集成了光源、探测器与显示单元的装置，2和4分别为装置内的光源与探测器，3为光纤传感探头。
图2是本发明的塑料光纤长周期光栅的制作过程示意图；
图3是本发明的带有贵金属薄膜的U型塑料光纤长周期光栅传感探头的示意图；
图4是本发明的塑料光纤传感探头封装示意图；
图5是本发明的传感探头在不同液体折射率下的透射光谱图；
图6是本发明装置测量的液体折射率与共振吸收峰偏移的关系及拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。实施例1：以测量甘油水溶液为例
参见图1，本发明的U型塑料光纤长周期光栅折射率传感器1，由白光光源2、塑料光纤长周期光栅传感探头3和可见光光谱仪4组成。在工作时，光源2发出的光经过光纤到达传感探头3，当具有长周期结构的U型塑料光纤探头3插入到被测溶液中时，光信号与被测溶液产生了相互作用，被调制后的光信号经光纤传输到光谱仪，被显示出来。由于被测溶液的折射率变化会导致透射光波共振吸收峰的偏移，通过标定峰值与溶液折射率变化的响应曲线，可以得到它们之间的关系曲线，利用这个关系曲线，通过监测峰值就可以计算出甘油水溶液的折射率值。
参见图2，本实施例所采用的塑料光纤为江西大圣有限公司生产的多模商用塑料光纤，光纤的外径为1000±2μm，芯径为980±2μm。利用模压成型的方法可以在塑料光纤5上制备出长周期光栅结构。具体的制备方法为：将塑料光纤5垂直放置在具有周期性光栅结构的钢制模具6下面，然后利用夹具7对塑料光纤5施加压力，在压力的作用下，在塑料光纤5上会形成长周期光栅结构。通过调节夹具7所施加的压力大小，可以改变长周期光栅结构的深度。通过使用具有不同周期数的模具，可以改变光纤长周期光栅的周期。优选地，长周期光栅的深度为200μm，周期为300μm。
参见图3，为本实施例所制备的具有金属薄膜的U型塑料光纤长周期光栅探头示意图。其制备方法可以分为两个步骤：首先，将塑料光纤没有光栅结构的一侧绕在一个加热到80℃左右的圆柱形金属棒上，并施加一个5N的拉力，这样就可以得到一个U型的光纤探头。优选地，光纤探头的弯曲半径为4mm。然后，采用真空镀膜的方法在塑料光纤的表面镀上金属薄膜，这个过程需要将镀膜机抽真空至5×10-3Pa。优选地，采用相对较廉价的金属银作为等离子共振的有源层，其厚度为100nm。
参见图4，为本实施例所采用的可插拔式探头的封装设计示意图，这种设计便于传感探头的使用与更换。根据所使用光纤探头的尺寸，优选地，聚合物材料(本实施例中所采用的材料为ABS树脂)长、宽、高的尺寸分别为16、13和8mm。其上面小孔的直径为1000±2μm，孔间间距为8mm。光纤探头端伸出聚合物材料孔外的长度为8mm，用于连接的光纤插入到聚合物材料孔中的长度为5mm。
参见图5，为本发明在测量不同折射率溶液时所得到的透射光谱图。测量时需要将光纤传感探头分别浸入到不同折射率的甘油水溶液当中。可以看出，随着溶液折射率值得增加，共振吸收峰向着波长增大的方向移动。
参见图6，为所测量溶液的折射率值与共振吸收峰波长的关系曲线。可以看出，在折射率1.33-1.39的范围内，该传感器具有较好的线性度。其灵敏度S可以用所得响应曲线的斜率来确定，它可以表示为，
其中Δλ和Δn分别是波长的偏移量和折射率的变化量。可以得到，该传感器的灵敏度为204nm/RIU(RI unit)，分辨率可达4.5×10-5RIU。

Claims (9)

1.一种U型塑料光纤长周期光栅表面等离子液体折射率传感器，其特征在于：由光源、表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头以及光电检测装置组成，该表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头由如下步骤制备得到，
(1)采用压模成型的方法在塑料光纤上制备出长周期光栅结构；
(2)通过热定型将带有长周期光栅结构的塑料光纤制成U型塑料光纤长周期光栅探头；
(3)在U型塑料光纤长周期光栅探头上镀上贵金属，得到表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头；
(4)将表面等离子共振U型塑料光纤长周期光栅探头制备成可插拔式结构。
2.如权利要求1所述的一种U型塑料光纤表面等离子共振液体折射率传感器，其特征在于：步骤(1)中所使用的塑料光纤为多模塑料光纤，光纤的外径为250～1500μm，纤芯直径为240～1480μm。
3.如权利要求1所述的一种U型塑料光纤表面等离子共振液体折射率传感器，其特征在于：步骤(1)中是将塑料光纤放置于钢制的具有周期性光栅结构的模具下面，使用夹具对钢制模具施加压力，在压力的作用下，在塑料光纤上形成沿中心轴线分布的长周期光栅结构。
4.如权利要求1所述的一种U型塑料光纤表面等离子共振液体折射率传感器，其特征在于：步骤(2)是将塑料光纤不带有周期光栅结构的一侧表面环绕在一个加热至75～95℃的圆柱形钢柱上，然后在光纤的两端施加2～7N的拉力，从而得到U型塑料光纤长周期光栅探头。
5.如权利要求1所述的一种U型塑料光纤表面等离子共振液体折射率传感器，其特征在于：步骤(2)得到的长周期光栅结构的深度为100～500μm，周期为100～1000μm。
6.如权利要求1所述的一种U型塑料光纤表面等离子共振液体折射率传感器，其特征在于：步骤(2)得到的U型塑料光纤探头的弯曲半径为2～7mm。
7.如权利要求1所述的一种U型塑料光纤表面等离子共振液体折射率传感器，其特征在于：步骤(3)是采用真空蒸发或磁控溅射方式在U型塑料光纤长周期光栅探头的表面镀上金或银膜。
8.如权利要求1所述的一种U型塑料光纤表面等离子共振液体折射率传感器，其特征在于：步骤(3)得到的U型塑料光纤探头所镀的贵金属薄膜的厚度为100～200nm。
9.如权利要求1所述的一种U型塑料光纤表面等离子共振液体折射率传感器，其特征在于：光源是卤素灯或白光LED，光电检测装置是可见光光谱仪。
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