CN108303399A - 一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器 - Google Patents

Abstract

本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，能够有效提高传感效率、且通过一个SPR传感器获得两路独立的传感光谱，同时可根据选择独立的完成单路传感，解决了双路测量时无法获得两路独立传感光谱的问题，拓展了双路传感时不同需求的选择范围，且实现了单路传感器与双路传感器的结合。该传感器由光源、单模光纤Ⅰ、光纤分束器、双芯光纤、SPR传感区Ⅰ、SPR传感区Ⅱ、阶跃光纤Ⅰ、光谱仪Ⅰ、阶跃光纤Ⅱ和光谱仪Ⅱ组成。本发明能够完成两路SPR传感，工作效率高，且能得到两路独立、互不干扰的传感光谱；也可根据需求的不同，独立完成一路SPR传感，实现了单路传感与双路传感的结合，拓展了光纤SPR传感器的使用范围。

Description

一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，更具体的说是一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器。

背景技术

光纤作为现代生活中一种重要的信息传输媒介，在人们的生活中起着举足轻重的作用。由于其电绝缘性好、高温高压、耐氧化、可在易燃易爆、学性质稳定、有毒等环境条件下能够工作的优点，已经在通信、监测和生物医学等研究领域得到了广泛应用。

光纤表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感器工作原理：通过传感光谱可以感知外界环境的某一物理量的变化，物理量可以为温度、液体折射率、压力等，该技术在生物、医学、传感等领域的得到了广泛应用。目前国内的光纤SPR传感技术仍处于实验室阶段。SPR现象的影响因素包括SPR入射角度，金膜厚度等，本发明结合了在线传输式与终端反射式两种SPR传感器的基本类型。

现阶段单路SPR传感器比较常见，随着社会的发展与进步，越老越多的场合有多路传感的需求，多路SPR传感器的发明研究势在必行。级联分布式SPR传感器应运而生，在传感装置上串联两个SPR传感区，在光谱仪上接收到两个传感区的传感光谱，但此方法不易消除两个传感光谱间的干扰，且由于在同一光谱仪接受两个传感光谱，限制了传感范围，且光谱的共振波谷不宜分开，同时无法得到两个独立的传感光谱。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，能够有效提高传感效率、且通过一个SPR传感器获得两路独立的传感光谱，同时也可根据选择实现单路传感，解决了双路测量时无法获得两路独立传感光谱的问题，且实现了单路传感器与双路传感器的结合。

为解决上述技术问题，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器由光源、单模光纤Ⅰ、光纤分束器、双芯光纤、SPR传感区Ⅰ、SPR传感区Ⅱ、阶跃光纤Ⅰ、光谱仪Ⅰ、阶跃光纤Ⅱ和光谱仪Ⅱ组成；

光源为光谱宽度450nm—1100nm的超连续谱光源，用于产生SPR现象的激发光；光纤分束器将单模光纤Ⅰ的光分为两束；SPR传感区Ⅰ与SPR传感区Ⅱ用于激发SPR现象，得到传感光谱；阶跃光纤Ⅰ与阶跃光纤Ⅱ用于传输传感光谱，阶跃光纤Ⅰ包括纤芯Ⅲ，阶跃光纤Ⅱ包括纤芯Ⅳ；光谱仪Ⅰ与光谱仪Ⅱ的光谱宽度为450nm—1100nm，用于接收传感光谱；

光源的输出端与单模光纤Ⅰ的输入端连接，单模光纤Ⅰ的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器包括单模光纤Ⅱ与单模光纤Ⅲ；双芯光纤包括纤芯Ⅰ和纤芯Ⅱ，双芯光纤中纤芯Ⅰ的输入端接收单模光纤Ⅱ的光，双芯光纤中纤芯Ⅱ的输入端接收单模光纤Ⅲ的光；双芯光纤中的纤芯Ⅰ的输出端与纤芯Ⅳ的输入端正对焊接，双芯光纤中的纤芯Ⅱ输出端的传感光谱通过纤芯Ⅲ接收；阶跃光纤Ⅱ的输出端连接至光谱仪Ⅱ的输入端，阶跃光纤Ⅰ的输出端连接至光谱仪Ⅰ的输入端。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的双芯光纤由涂覆层、包层、纤芯Ⅰ和纤芯Ⅱ组成，纤芯Ⅰ和纤芯Ⅱ平行设置在包层内，包层外覆有涂覆层。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的双芯光纤的纤芯Ⅰ与纤芯Ⅱ的中心距离L2为110μm。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的SPR传感区Ⅰ由纳米金属薄膜Ⅰ和被测液体Ⅰ组成，被测液体Ⅰ填充满SPR传感区Ⅰ，纳米金属薄膜Ⅰ浸在被测液体Ⅰ中。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的纳米金属薄膜Ⅰ为金膜或银膜或其它可激发SPR现象的纳米金属薄膜。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的纳米金属薄膜Ⅰ为金膜，金膜厚度为55nm。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的SPR传感区Ⅱ由纳米金属薄膜Ⅱ和被测液体Ⅱ组成，被测液体Ⅱ填充满SPR传感区Ⅱ，纳米金属薄膜Ⅱ浸在被测液体Ⅱ。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的纳米金属薄膜Ⅱ为金膜或银膜或其它可激发SPR现象的纳米金属薄膜。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的纳米金属薄膜Ⅱ为金膜，金膜厚度为55nm。

本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器的有益效果为：

1.能够有效提高传感效率、且通过一个SPR传感器获得两路独立的传感光谱，同时也可根据选择实现单路传感，解决了双路测量时无法获得两路独立传感光谱的问题，且实现了单路传感器与双路传感器的结合。

2.本发明能够完成两路SPR传感，工作效率高，且能得到两路独立、互不干扰的传感光谱。

3.本发明也可根据需求的不同，独立完成一路SPR传感。

4.本发明实现了单路传感与双路传感的结合，拓展了光纤SPR传感器的使用范围。

5.本发明采用光纤作为传输媒介，能够实现远距离、低损耗的传输传感结果，也可在线监测，传感结果实时可达，增强了的实用性，拓宽了传感装置的应用范围。

6.本发明可在高温高压、易氧化、易燃易爆、有毒的恶劣环境条件下进行工作，增强了实用性。

7.本发明可以进行连续工作，工作效率高。

8.本发明可以多次重复使用，节约成本，可靠性强。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器的结构示意图。

图2为图1中的双芯光纤参数示意图。

图3为图1中的双芯光纤一路传感器部分结构示意图。

图中：光源1；单模光纤Ⅰ2；光纤分束器3；单模光纤Ⅱ3-1；单模光纤Ⅲ3-2；双芯光纤4；纤芯Ⅰ4-1；纤芯Ⅱ4-2；SPR传感区Ⅰ5；纳米金属薄膜Ⅰ5-1；被测液体Ⅰ5-2；SPR传感区Ⅱ6；纳米金属薄膜Ⅱ6-1；被测液体Ⅱ6-2；阶跃光纤Ⅰ7；纤芯Ⅲ7-1；光谱仪Ⅰ8；阶跃光纤Ⅱ9；纤芯Ⅳ9-1；光谱仪Ⅱ10；双芯光纤4内壁距离L1；纤芯Ⅰ4-1与纤芯Ⅱ4-2的中心距离L2；双芯光纤一路SPR传感器的光纤磨锥角度α。

具体实施方式

下面结合图1、2、3说明本实施方式，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，能够有效提高传感效率、且通过一个SPR传感器获得两路独立的传感光谱，同时也可根据选择独立的完成单路传感，解决了双路测量时无法获得两路独立传感光谱的问题，拓展了双路传感时不同需求的选择范围，且实现了单路传感器与双路传感器的结合。

该双芯光纤双路表面等离子体共振传感器由光源1、单模光纤Ⅰ2、光纤分束器3、双芯光纤4、SPR传感区Ⅰ5、SPR传感区Ⅱ6、阶跃光纤Ⅰ7、光谱仪Ⅰ8、阶跃光纤Ⅱ9和光谱仪Ⅱ10组成；

光源1为光谱宽度450nm—1100nm的超连续谱光源，用于产生SPR现象的激发光；光纤分束器3将单模光纤Ⅰ2的光分为两束；SPR传感区Ⅰ5与SPR传感区Ⅱ6用于激发SPR现象，得到传感光谱；阶跃光纤Ⅰ7与阶跃光纤Ⅱ9用于传输传感光谱，阶跃光纤Ⅰ7包括纤芯Ⅲ7-1，阶跃光纤Ⅱ9包括纤芯Ⅳ9-1；光谱仪Ⅰ8与光谱仪Ⅱ10的光谱宽度为450nm—1100nm，用于接收传感光谱；

光源1的输出端与单模光纤Ⅰ2的输入端连接，光源1的光注入单模光纤Ⅰ2中；光纤分束器3包括单模光纤Ⅱ3-1与单模光纤Ⅲ3-2，单模光纤Ⅰ2的输出端与光纤分束器3的输入端连接；光纤分束器3通过单模光纤Ⅰ2接收来自光源1的光，并将其分成两束光，经单模光纤Ⅱ3-1与单模光纤Ⅲ3-2输出；双芯光纤4包括纤芯Ⅰ4-1和纤芯Ⅱ4-2，双芯光纤4中纤芯Ⅰ4-1的输入端接收单模光纤Ⅱ3-1的输出光，双芯光纤4中纤芯Ⅱ4-2的输入端接收单模光纤Ⅲ3-2的输出光；双芯光纤4的纤芯Ⅰ4-1侧设有SPR传感区Ⅰ5，双芯光纤4的纤芯Ⅱ4-2侧设有SPR传感区Ⅱ6，双芯光纤4中的纤芯Ⅰ4-1的输出端与纤芯Ⅳ9-1的输入端在光纤焊接机中完成正对焊接，纤芯Ⅰ4-1的光经SPR传感区Ⅰ5发生SPR现象，得到传感光谱，纤芯Ⅰ4-1的出射光被纤芯Ⅳ9-1完全接收；双芯光纤4中的纤芯Ⅱ4-2的输出光在SPR传感区Ⅱ6发生SPR现象，得到传感光谱，经过纳米金属薄膜Ⅱ6-1的反射，输出的传感光谱被纤芯Ⅲ7-1接收；阶跃光纤Ⅰ7的输出端连接至光谱仪Ⅰ8的输入端，阶跃光纤Ⅱ9的输出端连接至光谱仪Ⅱ10的输入端，光谱仪Ⅰ8与光谱仪Ⅱ10分别得到传感光谱。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的双芯光纤4由涂覆层、包层、纤芯Ⅰ4-1和纤芯Ⅱ4-2组成，纤芯Ⅰ4-1和纤芯Ⅱ4-2平行设置在包层内，包层外覆有涂覆层。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的双芯光纤4的纤芯Ⅰ4-1与纤芯Ⅱ4-2的中心距离L2为110μm，内壁距离L1为100μm。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的SPR传感区Ⅰ5由纳米金属薄膜Ⅰ5-1和被测液体Ⅰ5-2组成，被测液体Ⅰ5-2填充满SPR传感区Ⅰ5，纳米金属薄膜Ⅰ5-1浸在被测液体Ⅰ5-2中，光传输至此区域时激发SPR现象；制作方法为：用光纤钳用除去双芯光纤4的纤芯Ⅰ4-1侧的涂覆层，通过氢氟酸腐蚀或光纤侧抛的方法除去包层至与纤芯Ⅰ4-1的交界面，通过小型离子溅射仪镀纳米金属薄膜Ⅰ5-1。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的纳米金属薄膜Ⅰ5-1为金膜或银膜或其它可激发SPR现象的纳米金属薄膜。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的纳米金属薄膜Ⅰ5-1为金膜，经实验表明，当金膜厚度为55nm传感效果最佳。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的SPR传感区Ⅱ6由纳米金属薄膜Ⅱ6-1和被测液体Ⅱ6-2组成，被测液体Ⅱ6-2填充满SPR传感区Ⅱ6，纳米金属薄膜Ⅱ6-1浸在被测液体Ⅱ6-2，光传输至此区域时激发SPR现象；制作方法为：将双芯光纤4的光输出端用光纤钳剥除涂覆层，用无纺布蘸取酒精和乙醚的混合液，反复擦拭包层进行清洁，除去光纤上的杂尘及碎屑，用光纤切割刀将清洁后的双芯光纤4的光输出端的端面切割平整，在光纤磨锥机上将光纤端面磨制一个角度α，8°<α<20°，通过小型离子溅射仪镀纳米金属薄膜Ⅱ6-1。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的纳米金属薄膜Ⅱ6-1为金膜或银膜或其它可激发SPR现象的纳米金属薄膜。

作为本发明的进一步优化，本发明一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器所述的纳米金属薄膜Ⅱ6-1为金膜，经实验表明，当金膜厚度为55nm传感效果最佳。

本发明的工作原理是：

双芯光纤4中的纤芯Ⅰ4-1与纤芯Ⅱ4-2中的光以全反射的形式向前传输，当光传输至SPR传感区Ⅰ5与SPR传感区Ⅱ6时，在纳米金属薄膜Ⅰ5-1、被测液体Ⅰ5-2与纳米金属薄膜Ⅱ6-1、被测液体Ⅱ6-2的作用下，光的倏逝波与纳米金属薄膜Ⅰ5-1和纳米金属薄膜Ⅱ6-1中的自由电子频率一致时产生共振，使得自由电子吸收光子的能量，该共振频率的光能量急剧下降，光的全反射条件被破坏，使得传感光谱中此频率处出现共振波谷，形成光纤SPR传感器，光纤SPR传感器的影响因素包括光的SPR入射角、纳米金属薄膜厚度等。

双芯光纤4的纤芯Ⅰ4-1接收光纤分束器的单模光纤Ⅱ3的输出光，当光传输至SPR传感区Ⅰ5时产生SPR传感光谱，传感光谱被阶跃光纤Ⅱ9接收并传输至光谱仪Ⅱ10。双芯光纤4的纤芯Ⅱ4-2接收光纤分束器的单模光纤Ⅲ3-2输出光，当光传输至SPR传感区Ⅱ6时产生SPR传感光谱，传感光谱被阶跃光纤Ⅰ7接收并传输至光谱仪Ⅰ8。

本发明通过一个传感结构完成了两路SPR传感，同时分别用光谱仪Ⅰ8、光谱仪Ⅱ10接收传感光谱，根据不同的需求，若只需要传感区SPR传感区Ⅰ5或SPR传感区Ⅱ6工作时，只需要将对应的双芯光纤4的纤芯Ⅰ4-1、纤芯Ⅱ4-2注入光即可，实现了单路SPR传感器与双路SPR的传感器结合。

本发明的工作过程是：

打开光源1、光谱仪Ⅰ8与光谱仪Ⅱ10的开关，使得光源1的光经过单模光纤Ⅰ2传输至光纤分束器3中并通过单模光纤Ⅱ3-1与单模光纤Ⅲ3-2输出。双芯光纤4的纤芯Ⅰ4-1接收光纤分束器的单模光纤Ⅱ3的输出光，当光传输至SPR传感区Ⅰ5时产生SPR传感光谱，传感光谱被阶跃光纤Ⅱ9接收并传输至光谱仪Ⅱ10。双芯光纤4的纤芯Ⅱ4-2接收光纤分束器的单模光纤Ⅲ3-2输出光，当光传输至SPR传感区Ⅱ6时产生SPR传感光谱，传感光谱被阶跃光纤Ⅰ7接收并传输至光谱仪Ⅰ8。更换被测液体Ⅰ5-2与被测液体Ⅱ6-2，传感光谱的共振波谷发生改变，实现对被测液体的折射率传感。

当只需要传感区SPR传感区Ⅰ5或SPR传感区Ⅱ6工作时，只需要将对应的双芯光纤4的纤芯Ⅰ4-1、纤芯Ⅱ4-2注入光即可，即可实现对应的单路SPR传感器。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，其特征在于：该双芯光纤双路表面等离子体共振传感器由光源(1)、单模光纤Ⅰ(2)、光纤分束器(3)、双芯光纤(4)、SPR传感区Ⅰ(5)、SPR传感区Ⅱ(6)、阶跃光纤Ⅰ(7)、光谱仪Ⅰ(8)、阶跃光纤Ⅱ(9)和光谱仪Ⅱ(10)组成；

光源(1)为光谱宽度450nm—1100nm的超连续谱光源，用于产生SPR现象的激发光；光纤分束器(3)将单模光纤Ⅰ(2)的光分为两束；SPR传感区Ⅰ(5)与SPR传感区Ⅱ(6)用于激发SPR现象，得到传感光谱；阶跃光纤Ⅰ(7)与阶跃光纤Ⅱ(9)用于传输传感光谱，阶跃光纤Ⅰ(7)包括纤芯Ⅲ(7-1)，阶跃光纤Ⅱ(9)包括纤芯Ⅳ(9-1)；光谱仪Ⅰ(8)与光谱仪Ⅱ(10)的光谱宽度为450nm—1100nm，用于接收传感光谱；

光源(1)的输出端与单模光纤Ⅰ(2)的输入端连接，单模光纤Ⅰ(2)的输出端与光纤分束器(3)的输入端连接，光纤分束器(3)包括单模光纤Ⅱ(3-1)与单模光纤Ⅲ(3-2)；双芯光纤(4)包括纤芯Ⅰ(4-1)和纤芯Ⅱ(4-2)，双芯光纤(4)中纤芯Ⅰ(4-1)的输入端接收单模光纤Ⅱ(3-1)的光，双芯光纤(4)中纤芯Ⅱ(4-2)的输入端接收单模光纤Ⅲ(3-2)的光；双芯光纤(4)中的纤芯Ⅰ(4-1)的输出端与纤芯Ⅳ(9-1)的输入端正对焊接，双芯光纤(4)中的纤芯Ⅱ(4-2)输出端的传感光谱通过纤芯Ⅲ(7-1)接收；阶跃光纤Ⅱ(9)的输出端连接至光谱仪Ⅱ(10)的输入端，阶跃光纤Ⅰ(7)的输出端连接至光谱仪Ⅰ(8)的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述的双芯光纤(4)由涂覆层、包层、纤芯Ⅰ(4-1)和纤芯Ⅱ(4-2)组成，纤芯Ⅰ(4-1)和纤芯Ⅱ(4-2)平行设置在包层内，包层外覆有涂覆层。

3.根据权利要求2所述的一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述的双芯光纤(4)的纤芯Ⅰ(4-1)与纤芯Ⅱ(4-2)的中心距离L2为110μm。

4.根据权利要求1所述的一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述的SPR传感区Ⅰ(5)由纳米金属薄膜Ⅰ(5-1)和被测液体Ⅰ(5-2)组成，被测液体Ⅰ(5-2)填充满SPR传感区Ⅰ(5)，纳米金属薄膜Ⅰ(5-1)浸在被测液体Ⅰ(5-2)中。

5.根据权利要求4所述的一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述的纳米金属薄膜Ⅰ(5-1)为金膜或银膜或其它可激发SPR现象的纳米金属薄膜。

6.根据权利要求5所述的一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述的纳米金属薄膜Ⅰ(5-1)为金膜，金膜厚度为55nm。

7.根据权利要求1所述的一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述的SPR传感区Ⅱ(6)由纳米金属薄膜Ⅱ(6-1)和被测液体Ⅱ(6-2)组成，被测液体Ⅱ(6-2)填充满SPR传感区Ⅱ(6)，纳米金属薄膜Ⅱ(6-1)浸在被测液体Ⅱ(6-2)。

8.根据权利要求7所述的一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述的纳米金属薄膜Ⅱ(6-1)为金膜或银膜或其它可激发SPR现象的纳米金属薄膜。

9.根据权利要求8所述的一种双芯光纤双路表面等离子体共振传感器，其特征在于：所述的纳米金属薄膜Ⅱ(6-1)为金膜，金膜厚度为55nm。