CN109238963A - 一种光纤包层spr传感器、及其使用方法与制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感领域，主要涉及一种光纤包层SPR传感器、及其使用方法与制作方法，本发明的目的在于提供一种光纤包层SPR传感器，解决传统光纤SPR传感器加工制作困难、倏逝波不易获得、成本高昂的问题；本发明利用常见的光纤在光纤焊接机上进行偏芯焊接，将纤芯中的光泄露到包层中，光到达包层与空气界面时，倏逝波即可从包层泄露出去，在包层和空气界面镀制纳米级金膜，即可在包层外发生SPR效应，避免了复杂的加工技术；本发明提出的光纤包层SPR传感器与传统光纤SPR传感器相比，具有体积小，结构新颖，制作难度小等优势，在生物制药、食品安全检测及化学检测领域将得到广泛的研究与应用。

Description

一种光纤包层SPR传感器、及其使用方法与制作方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，涉及一种光纤包层SPR传感器、及其使用方法与制作方法。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)传感器是一项新兴的生物化学检测技术，其具有灵敏度高、无需标记、实时在线检测等优势，广泛应用于食品安全、环境检测、生物医学等领域。

光纤SPR传感器是一种基于SPR原理所制成的新型的光纤传感器，具有体积小，灵敏度高，抗电磁辐射和干扰，可实现远距离遥感测量等诸多优势，其检测原理可描述为：当光束从光密介质入射到光疏介质时，分成一束透射光和一束反射光，如果入射角大于临界角，就会发生全发射现象，在此过程中，光疏介质中仍然有电磁波存在，并且，此电磁波的振幅会随着透射深度的增大而呈指数衰减，我们称之为倏逝波，倏逝波可在金属介质表面激发表面等离子体，当入射角或波长为某一适当值时，倏逝波与金属表面等离子体的频率和波数相等，二者即发生共振，此时，入射光的部分能量被吸收，而反射光的能量急剧下降，在反射光谱上将出现反射强度最低的共振峰，而当紧靠在金属薄膜表面的光疏介质折射率不同时，其共振峰的位置将发生改变，这就是光纤SPR传感器对待测介质(光疏介质)折射率参数进行检测的基本原理。

为了在光纤表面发生SPR效应，需要使倏逝波泄露到光纤外，使其能与外界介质相互作用。按照倏逝波泄露位置的不同，光纤SPR传感器可分为两大类，一类是在纤芯界面使倏逝波泄露，制作成纤芯SPR传感器。这类传感器通过特殊的光纤加工技术，将光纤包层去除，倏逝波即从纤芯中泄露出来，在纤芯界面镀上金属薄膜，即可发生SPR；另一类是在光纤包层界面使倏逝波泄露，制作成光纤包层SPR传感器。这类传感器不用去除光纤包层，通过特殊的光纤加工技术，将纤芯中的光导入到光纤包层中去，倏逝波即从光纤包层界面泄露，在包层外镀上金属薄膜，亦可发生SPR。

基于纤芯SPR的传感器有侧边抛磨型光纤SPR传感器、腐蚀型光纤SPR传感器、端面研磨型光纤SPR传感器等。在一种技术方案中，使用轮式侧边抛磨法，对纯石英多模光纤进行抛磨，抛磨掉多模光纤10mm长的包层和部分纤芯，并采用磁控溅射法，在抛磨区镀上一层纳米级铬膜和金膜，倏逝波即可从抛磨区纤芯处渗透到纳米级金膜内，发生SPR效应。然而，多模光纤包层和纤芯为石英材质，对其进行微米级精密机械抛磨，使倏逝波泄露到空气中，需要复杂的加工设备以及熟练的加工技术，制作起来是极为困难的。

在另一种技术方案中，利用氢氟酸溶液对单模光纤包层进行腐蚀，腐蚀掉包层后，纤芯随即显露出来，然后在纤芯外镀制一层纳米级金膜和TiO2膜，倏逝波即可从腐蚀区纤芯处渗透到纳米级膜层内，发生SPR效应，制作成腐蚀型光纤SPR传感器，这种方法所制成的光纤SPR传感器灵敏度较高，但使用化学试剂腐蚀光纤，使倏逝波泄露到空气中，这种方法既污染环境又不好控制腐蚀深度，且腐蚀后的光纤表面很粗糙，不利于光纤表面金属薄膜的均匀沉积。

在其他技术方案中，用裸光纤端面倾斜研磨方法，在光纤研磨机上，将单模光纤端头研磨成特定的倾斜角度，光纤包层和纤芯都研磨掉，并在研磨区域使用磁控溅射法镀上一层纳米级银(Ag)膜，倏逝波即可从研磨面纤芯处渗透到纳米级银膜内，发生SPR效应，制作成端面研磨型光纤SPR传感器，这种传感器体积小巧，灵敏度高，可直接伸入待测环境中进行折射率检测，但这种传感器制作过程复杂，制作工艺要求高，对光纤端面进行研磨倾斜角度不易控制，研磨面的光滑度也难以掌控。

基于光纤包层SPR的传感器有拉锥型、异质芯型、光纤光栅型等光纤SPR传感器。在一种技术方案中，利用熔融拉锥法，将5mm长的单模光纤拉至18mm长，得到锥区直径只有32μm的拉锥型光纤，光纤经拉锥之后，就会有很强的倏逝波泄露到光纤包层外，在锥区镀上纳米级金属膜，即可制作完成拉锥型光纤SPR传感器。这种传感器制作简单、灵敏度很高，但使用拉锥法拉制光纤，会使传感区极为脆弱、易折断，稳定性较差。

在另一种技术方案中提出了一种异质芯结构的光纤SPR传感器，其光纤传感探头是由两个不同芯径的光纤(多模-单模结构)利用热熔接连接到一起，在单模光纤上镀制一层金膜和铬构成的，这样做可以使传输光进入到小芯径光纤包层中，光到达光纤包层边界后，会使倏逝波泄露到镀制在光纤包层表面的金属膜内，激发SPR效应。这种传感器的最大优点是制作简单，稳定性好，不需要剥除光纤包层，但是这种方法只能实现单模光纤包层的SPR传感，不是直接把光注入至包层中，效率有限，并不能在多模光纤包层中实现SPR传感。

对于光纤光栅型SPR传感器，这类传感器种类繁多，这里只列举长周期光纤光栅SPR传感器，在一种技术方案中，使用倍频离子激光器，对30mm长的单模光纤纤芯进行光栅的点对点写入，制作成周期为114μm的长周期光纤光栅，光经过光纤光栅时，一部分从纤芯泄露到光纤包层，从而倏逝波可从包层泄露，另一部分沿着纤芯继续向前传播，沿着光的传输方向，在距光栅6cm左右，将光纤切断，对整个光纤端头镀制1mm-8mm长的纳米级金膜，制作完成长周期光纤光栅SPR传感器。这种传感器机械强度高，稳定性好，但这种传感器需要复杂的加工装置，制作过程较为复杂，而且光耦合到包层效率较低，因此这种传感器灵敏度不高。

基于此，本发明所要解决的问题是，研究并实现一种新的方法，可以直接简单有效的将光纤纤芯中的光耦合至各类光纤包层中，实现倏逝波由纤芯-包层界面至包层-空气界面的转移，进而在光纤包层表面镀制50nm金膜，实现各种类型光纤的包层SPR传感。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光纤包层SPR传感器、及其使用方法与制作方法，解决传统光纤SPR传感器加工制作困难、倏逝波不易获得、成本高昂的问题。利用常见的光纤在光纤焊接机上进行偏芯焊接，将纤芯中的光泄露到包层中，光到达包层与空气界面时，倏逝波即可从包层泄露出去，在包层和空气界面镀制纳米级金膜，即可发生SPR效应，避免了复杂的加工技术(侧边抛磨、化学腐蚀、端面研磨、光纤拉锥等)。并且本发明提出的光纤包层SPR传感器与传统光纤SPR传感器相比，具有体积小，结构新颖，制作难度小等优势，在生物制药、食品安全检测及化学检测领域将得到广泛的研究与应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光纤包层SPR传感器，包括依次相连的注光光纤、传感光纤、以及收光光纤；所述注光光纤用于接收并传递输入光；所述传感光纤外侧包裹金属薄膜，输入光在包层与金属薄膜界面发生全反射，倏逝场泄露至金属薄膜中并发生SPR现象，光信号再传输至收光光纤；所述收光光纤用于接收并传递输出光；所述注光光纤与所述传感光纤的连接处为偏芯连接，该处传感光纤的截面几何中心在注光光纤的截面上的投影与注光光纤截面的几何中心交集为零。

可选地，所述传感光纤为单模光纤、渐变多模光纤、或阶跃多模光纤。

可选地，所述传感光纤为裸纤，所述金属薄膜为设置在裸纤上的金属镀层。

一种光纤包层SPR传感器的使用方法，包括以下步骤：

S1将光源连接至注光光纤远离传感光纤的一端；

S2将光谱仪连接至收光光纤远离传感光纤的一端；

S3将传感光纤放入不同折射率的溶液中，光源发出的光通过注光光纤注入到传感光纤中，传输光在包层与金属薄膜界面发生全反射和表面等离子体共振，反射后的光信号经收光光纤进入光谱仪，光谱仪将传输过来的反射光谱进行采集与解调，保存反射光谱数据。

可选地，所述光源为超连续谱光源，其波长范围为500-2400nm，输出功率为100mW。

可选地，所述光谱仪的波长范围覆盖350-1200nm，波长分辨率为0.02-10nm，波长精度为±0.05nm。

可选地，还包括步骤S4；

S4对反射光谱数据使用软件进行分析处理。

可选地，一种光纤包层SPR传感器的制作方法，包括以下步骤：

S1取注光光纤，剥除注光光纤的两端一定长度；

S1.1用酒精将注光光纤两端洗净；

S1.2用光纤切割刀将注光光纤两端做切平处理；

S2取传感光纤，剥除传感光纤的两端一定长度；

S2.1用酒精将传感光纤两端洗净；

S2.2用光纤切割刀将传感光纤两端做切平处理；

S3取收光光纤，剥除收光光纤的两端一定长度；

S3.1用酒精将收光光纤两端洗净；

S3.2用光纤切割刀将收光光纤两端做切平处理；

S4将注光光纤与传感光纤的一端放置在光纤焊接机上，调整注光光纤与传感光纤截面几何中心的偏移量至长度b后进行焊接；

S5将收光光纤与传感光纤远离注光光纤的一端放置在光纤焊接机上，将收光光纤与传感光纤截面几何中心正对后进行焊接；

S6使用酒精擦拭传感光纤；

S7将传感光纤放置到载玻片上，采用等离子溅射仪镀制金属薄膜。

可选地，在步骤S4中，长度b为注光光纤的截面直径的1/4～1/2。

可选地，所述金属镀层为50nm的金膜。

本发明的有益效果在于：

现有的光纤SPR传感器制作难度大，制作成本高，如拉锥型、腐蚀型、侧抛型、端面研磨型、光栅型光纤SPR传感器，这些传感器的制作都需要复杂的加工设备和加工工艺，而且大多数传感器的制作需要将光纤包层去掉，这既对光纤有损伤，破坏了光纤的自身结构，同时对制作工艺也提出了较高的要求。异质芯型结构的光纤SPR传感器不需要去除光纤包层，但其结构单一，只能给细芯光纤注光，不能给粗芯光纤注光。

而本发明提出的一种光纤包层SPR传感器，利用偏芯焊接技术，让光在光纤包层中传输一小段距离，光在光纤包层中传输时，倏逝场容易的泄露到空气中，无需去掉光纤包层，完美解决了光纤型SPR传感器加工制作困难的问题；这时在光纤包层外面镀制50nm金膜，可以利用常用光纤，以最简单的结构和思路构建新型的光纤SPR传感器。并且本发明对单模光纤、渐变多模光纤、阶跃多模光纤包层进行了测试，均可采用本发明结构实现光纤包层SPR传感器。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为光纤包层SPR传感器的结构示意图；

图2为光纤包层SPR传感器的使用状态示意图；

图3为三种传感光纤的测试曲线；

图3-(a)中的传感光纤为单模光纤；

图3-(b)中的传感光纤为渐变多模光纤；

图3-(c)中的传感光纤为阶跃多模光纤。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1-图3，附图中的元件标号分别表示：光源1、注光光纤2、传感光纤3、金属薄膜3-1、收光光纤4、光谱仪5。

本发明涉及一种光纤包层SPR传感器，注光光纤2为普通单模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为4-10μm，长度为1m左右，主要用于传输光源1光并将光注入到传感光纤3中；传感光纤3可以为单模光纤、小芯径(≤50μm)渐变多模光纤、小芯径(≤50μm)阶跃多模光纤，因为需要在传感光纤3上镀制50nm金属薄膜3-1，所以传感光纤3都为去掉涂敷层的裸纤，传感光纤3长度为2cm，传感光纤3主要是作为传感区，对待测物进行折射率测量；收光光纤4可以为芯径较大的阶跃多模光纤或渐变多模光纤，纤芯直径为105μm或110μm，包层直径为125μm，长度为1m左右，收光光纤4用于将传感光纤3输出的光传输到光谱仪5内，供光谱仪5对光信号进行采集与解调。

本发明所涉及的光源1为超连续谱光源1(SuperK COMPACT)，波长范围为500-2400nm，输出功率为100mW；所涉及的光谱仪5为横河AQ6373B光谱仪5，波长范围覆盖350-1200nm，波长分辨率为0.02-10nm，波长精度为±0.05nm。

具体连接方式为：注光光纤2与传感光纤3偏芯熔接，传感光纤3另一端与收光光纤4正对焊接，本实施例中，注光光纤2为单模光纤，收光光纤4为多模光纤，构成注光光纤2——传感光纤3——收光光纤4结构；注光光纤2另一端连接光源1，收光光纤4另一端连接光谱仪5。

具体的制作方法为：取一段1m长的单模注光光纤2，用米勒钳剥除注光光纤2的两端3-5cm，然后用酒精将两端洗净，用光纤切割刀将注光光纤2两端做切平处理，处理完成后放置一旁备用；取一段10cm左右的传感光纤3(这里以单模光纤为例)和一段1m长的收光光纤4(这里以纤芯直径为105μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.22的阶跃多模光纤为例)，用同样的方式将两端做切平处理；将处理好的注光光纤2一端和传感光纤3一端放置在光纤焊接机上，使用焊接机的手动焊接模式，调整两纤芯的偏移量至36μm(在焊接机显示界面显示为一端光纤纤芯错芯到另一端光纤包层的一半)，选择放电选项，这时可看到两光纤已经焊接在一起了；取出焊接好的光纤，在往传感光纤3方向距焊点2cm处，使用光纤切割刀将其切断，这样即完成了注光光纤2偏芯焊接2cm传感光纤3的制作；同样的，将之前处理好的阶跃多模光纤和传感光纤3的另一端放置在焊接机上，使用光纤焊接机的自动焊接模式，将两光纤正对焊接，这时，光纤包层传感探针结构制作完成；用无纺布蘸取适量高浓度酒精擦拭传感探针结构，擦拭完成后，将传感探针结构用胶带粘贴到载玻片上，将其放置在小型等离子溅射仪(ETD-2000，外部连接有膜厚监测仪)中，镀制50nm金膜，这样，光纤包层SPR传感探针即制作完成。

附图2为本发明的系统示意图。将光纤包层SPR传感探针放入不同折射率溶液中，超连续谱光源1发出的光通过注光光纤2注入到传感光纤3中，传输光在传感探针包层与金属薄膜3-1界面发生全反射和表面等离子体共振，反射后的光信号经芯径为105μm阶跃折射率多模收光光纤4进入光谱仪5，光谱仪5将传输过来的反射光谱进行采集与解调，保存反射光谱数据，利用MATLAB仿真软件对数据进行处理，即可得到不同折射率溶液的反射光谱曲线，继而可判断传感器性能优劣情况。

图3为本发明提出的光纤包层SPR传感器测试曲线，图中(a)(b)(c)为溶液折射率范围1.333-1.385下不同传感光纤3共振谷对齐时仿真曲线，图(a)为单模光纤，共振范围为655nm到787nm，共135nm，平均灵敏度为2538nm/RIU；图(b)为渐变多模光纤，共振范围为623nm到723nm，共100nm，平均灵敏度为1923nm/RIU；图(c)为阶跃多模光纤，共振范围为622nm到732nm，共110nm，平均灵敏度为2115nm/RIU。即本发明提出的光纤包层SPR传感器可实现折射率传感，且可实现以多种传感光纤3为基底进行传感。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种光纤包层SPR传感器，其特征在于：

包括依次相连的注光光纤、传感光纤、以及收光光纤；

所述注光光纤用于接收并传递输入光；

所述传感光纤外侧包裹金属薄膜，输入光在包层与金属薄膜界面发生全反射，倏逝场泄露至金属薄膜中并发生SPR现象，光信号再传输至收光光纤；

所述收光光纤用于接收并传递输出光；

所述注光光纤与所述传感光纤的连接处为偏芯连接，该处传感光纤的截面几何中心在注光光纤的截面上的投影与注光光纤截面的几何中心交集为零。

2.如权利要求1中所述的光纤包层SPR传感器，其特征在于：所述传感光纤为单模光纤、渐变多模光纤、或阶跃多模光纤。

3.如权利要求1中所述的光纤包层SPR传感器，其特征在于：所述传感光纤为裸纤，所述金属薄膜为设置在裸纤上的金属镀层。

4.一种如权利要求1～3任一项中所述的光纤包层SPR传感器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1将光源连接至注光光纤远离传感光纤的一端；

S2将光谱仪连接至收光光纤远离传感光纤的一端；

S3将传感光纤放入不同折射率的溶液中，光源发出的光通过注光光纤注入到传感光纤中，传输光在包层与金属薄膜界面发生全反射和表面等离子体共振，反射后的光信号经收光光纤进入光谱仪，光谱仪将传输过来的反射光谱进行采集与解调，保存反射光谱数据。

5.如权利要求4中所述的光纤包层SPR传感器的使用方法，其特征在于：所述光源为超连续谱光源，其波长范围为500-2400nm，输出功率为100mW。

6.如权利要求4中所述的光纤包层SPR传感器的使用方法，其特征在于：所述光谱仪的波长范围覆盖350-1200nm，波长分辨率为0.02-10nm，波长精度为±0.05nm。

7.如权利要求4中所述的光纤包层SPR传感器的使用方法，其特征在于：还包括步骤S4；

S4对反射光谱数据使用软件进行分析处理。

8.一种如利要求1～3任一项中所述的光纤包层SPR传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1取注光光纤，剥除注光光纤的两端一定长度；

S1.1用酒精将注光光纤两端洗净；

S1.2用光纤切割刀将注光光纤两端做切平处理；

S2取传感光纤，剥除传感光纤的两端一定长度；

S2.1用酒精将传感光纤两端洗净；

S2.2用光纤切割刀将传感光纤两端做切平处理；

S3取收光光纤，剥除收光光纤的两端一定长度；

S3.1用酒精将收光光纤两端洗净；

S3.2用光纤切割刀将收光光纤两端做切平处理；

S4将注光光纤与传感光纤的一端放置在光纤焊接机上，调整注光光纤与传感光纤截面几何中心的偏移量至长度b后进行焊接；

S5将收光光纤与传感光纤远离注光光纤的一端放置在光纤焊接机上，将收光光纤与传感光纤截面几何中心正对后进行焊接；

S6使用酒精擦拭传感光纤；

S7将传感光纤放置到载玻片上，采用等离子溅射仪镀制金属薄膜。

9.如权利要求8中所述的光纤包层SPR传感器的制作方法，其特征在于，在步骤S4中，长度b为注光光纤的截面直径的1/4～1/2。

10.如权利要求8中所述的光纤包层SPR传感器的制作方法，其特征在于，所述金属镀层为50nm的金膜。