CN110068551A - 一种对称级联结构光纤spr检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对称级联结构光纤SPR检测器，由输入单模光纤，无芯光纤，输出单模光纤，空气微腔，金膜层组成。其中，空气微腔位于无芯光纤中心，金膜镀于无芯光纤外表面。宽带光源发出的光经输入单模光纤到达单模光纤与无芯光纤界面时，耦合成为多种模式并在无芯光纤中传输，到达空气微腔界面时，再次耦合成为沿腔壁传输的传导模式。腔壁模式在无芯光纤与金膜界面激发出SPR信号，通过检测SPR信号的波长和强度，即可实现对外部物理量（如折射率）的测量。该检测器通过优化微腔直径、无芯光纤长度获得较强的SPR信号强度和较低的检测极限，同时具有结构简单、机械强度高的优点，在液态样品无损化检验领域具有广阔前景。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种对称级联结构光纤SPR检测器，可广泛推广于液态样品缺陷检测、药物筛选等领域。
背景技术
对于液体样品的品质检测，在许多领域有着广阔应用。医学角度来看，液体药物在整个药物市场占比超百分之三十，而液体药物缺陷检测参数如浓度、折射率等实为评价未知含量药物的一类重要指标，在企业生产过程中也是质检的一个重要环节。市场上通常使用基于图像处理技术的机器视觉方法辨析优劣，然而该方法基于体积庞大的检测设备和专业化程度要求较高的操作人员，具有一定局限性和较高的设备成本。而且，在一些不需要高精度含量检测的条件下，该方法程序繁琐，导致市场流通率低，不利于推广。其他领域可见一斑。
SPR效应是指当光在金属和介质界面处产生呈指数形式衰减的倏逝波时，一旦该倏逝场满足纤芯外镀金属中等离子体的共振条件，这部分能量将转化成表面等离子体波的震荡能量的现象。基于表面等离子体共振的光纤传感器通过检测光波在金属层和介质层之间产生的倏逝场变化来对应研究金属层两侧介质的变化情况。现有的光纤SPR传感器通常利用拉制工艺来满足波长相位匹配条件，且传感器各部分结构较复杂，不同芯径的光纤熔接次数多，对加工工艺要求高，附加损耗大大增加，因此，如何增强SPR信号强度，并通过简化传感器各部分结构和材料来从源头上降低加工工艺要求，是一个亟待解决的问题。
发明内容
为克服上述问题，本发明提出一种对称级联结构光纤SPR检测器，该检测器能够在增强SPR信号强度的基础上简化结构参数，具有结构简单、机械强度高的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种对称级联结构光纤SPR检测器，包括输入单模光纤(1)，无芯光纤(2)，输出单模光纤(3)，空气微腔(4)，金膜层(5)形成级联SPR检测器。所述输入单模光纤(1)右端与无芯光纤(2)左端熔接，无芯光纤(2)右端与输出单模光纤(3)熔接，所述无芯光纤(2)内部中心位置有空气微腔(4)，外表面镀有金膜层(5)。利用空气微腔(4)和外镀金膜层(5)，同时优化无芯光纤(2)所用长度，来增强产生的SPR信号，外部接收器分析SPR信息，实现对外部溶液的自身物理量的测量。
本发明所述的输入单模光纤(1)和输出单模光纤(3)的纤芯直径为8.4μm，折射率为1.4629，包层直径为125μm，折射率为1.4682。
本发明所述的无芯光纤(2)长度为13800μm，直径为125μm，折射率为1.4446。
本发明所述的空气微腔(4)直径为90μm，球心位于无芯光纤(2)径轴中心处。
本发明所述的金膜层(5)镀于无芯光纤(2)外表面，厚度为50nm。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用全光纤通道，通过优化微腔直径、无芯光纤长度获得较强的SPR信号强度和较低的检测极限，保证了不同外界折射率下对光的高回收率，同时具有结构简单、机械强度高的优点。
2.相比市面上同类型光纤传感器，本发明各部分结构简单，熔接次数少，可大幅度降低因为复杂加工问题带来的传感器的附加损耗，成本低，使用可重复性高。
3.提供了一种对称型的光纤折射率传感器结构，在增强倏逝场的前提下，使用时无需区分传感器首尾，易于推广。在液体药物缺陷和化学试剂检测领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明一种对称级联结构光纤SPR检测器结构示意图
图2是本发明在不同外界折射率下的SPR共振波长变化拟合曲线图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述，但本实施方式并不只用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构均应纳入本发明的保护范围。
参见附图1，一种对称级联结构光纤SPR检测器，其结构特点在于：由输入单模光纤(1)，无芯光纤(2)，输出单模光纤(3)，空气微腔(4)，金膜层(5)组成。输入单模光纤(1)右端与无芯光纤(2)左端熔接，无芯光纤(2)右端与输出单模光纤(3)熔接，无芯光纤(2)内部中心位置有空气微腔(4)，无芯光纤(2)外镀有金膜层(5)。其中，无芯光纤(2)中间先进行切割成两段等长的无芯光纤(2)，利用飞秒激光将其中一段无芯光纤(2)一端烧蚀一个缺口，然后利用熔接机的熔接放电技术将有缺口的半长无芯光纤(2)与另一半无芯光纤(2)进行熔接，形成内置空气微腔(4)。所有熔接完成后在无芯光纤(2)外表面修饰金膜层(5)制得一种对称级联结构光纤SPR检测器。
参见附图2，图2为不同外界折射率下的SPR共振波长变化拟合曲线图，当传感区介质的折射率增加时，SPR共振波长红移，存在良好的线性关系，拟合度为0.9988，在外界折射率为1.37时，灵敏度达到3290nm/RIU。
所述输入单模光纤(1)和输出单模光纤(3)的纤芯直径为8.4μm，折射率为1.4629，包层直径为125μm，折射率为1.4682。
所述无芯光纤(2)长度为13800μm，直径为125μm，折射率为1.4446。
所述空气微腔(4)直径为90μm，球心位于无芯光纤(2)径轴中心处。
所述金膜层(5)镀于无芯光纤(2)外表面，厚度为50nm。
本发明一种对称级联结构光纤SPR检测器的工作原理是：宽带光从左端进入输入单模光纤(1)，到达无芯光纤(2)界面时，由于纤芯直径不匹配，耦合成为多种模式的光并在无芯光纤(2)中传输，当到达空气微腔(4)界面时，由于空气微腔(4)的微透镜作用，光进行第二次扩束，再次耦合成为沿腔壁传输的腔壁传导模式，一旦该模式满足纤芯外镀金属中等离子体的共振条件：
其中，ksp为等离子体波的传播常数，εm和εs是镀层金属和样品溶液的介电常数，k0是波数，即当入射光和等离子体波的传播常数相位匹配时，产生SPR现象。腔壁传导模式在无芯光纤(2)与金膜层(5)界面上激发出SPR信号，通过优化空气微腔(4)直径、无芯光纤(4)长度增强倏逝场，获得较强的SPR信号强度，SPR信号经由输出单模光纤(3)被外部接收器接收，分析SPR信号的波长和强度，即可实现对外部物理量(如折射率)的测量。
Claims (6)
1.一种对称级联结构光纤SPR检测器，由输入单模光纤（1），无芯光纤（2），输出单模光纤（3），空气微腔（4），金膜层（5）组成。
2.根据权利要求1所述的一种对称级联结构光纤SPR检测器，其特征在于：输入单模光纤（1）右端与无芯光纤（2）左端熔接，无芯光纤（2）右端与输出单模光纤（3）熔接，无芯光纤（2）内部中心位置有空气微腔（4），无芯光纤（2）外镀有金膜层（5），宽带光经输入单模光纤（1）到无芯光纤（2）界面时，耦合成为多种模式并在无芯光纤（2）中传输，到达空气微腔（4）界面时，再次耦合成为沿腔壁传输的腔壁传导模式，腔壁传导模式在无芯光纤与金膜层（5）界面上激发出SPR信号，SPR信号经由输出单模光纤（3）被外部接收器接收，通过分析SPR信号的波长和强度，即可实现对外部物理量（如折射率）的测量。
3.根据权利要求1所述的一种对称级联结构光纤SPR检测器，其特征在于：所述的输入单模光纤（1）和输出单模光纤（3）的纤芯直径为8.4μm，折射率为1.4629，包层直径为125μm，折射率为1.4682。
4.根据权利要求1所述的一种对称级联结构光纤SPR检测器，其特征在于：所述无芯光纤（2）长度为13800μm，直径为125μm，折射率为1.4446。
5.根据权利要求1所述的一种对称级联结构光纤SPR检测器，其特征在于：所述空气微腔（4）直径为90μm，球心位于无芯光纤（2）径轴中心处。
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