CN110823808A - 拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法 - Google Patents

拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110823808A
CN110823808A CN201911265735.6A CN201911265735A CN110823808A CN 110823808 A CN110823808 A CN 110823808A CN 201911265735 A CN201911265735 A CN 201911265735A CN 110823808 A CN110823808 A CN 110823808A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
fiber
polished
mode
polishing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911265735.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110823808B (zh
Inventor
刘彬
罗薇
吴强
刘娟
万生鹏
何兴道
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanchang Hangkong University
Original Assignee
Nanchang Hangkong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanchang Hangkong University filed Critical Nanchang Hangkong University
Priority to CN201911265735.6A priority Critical patent/CN110823808B/zh
Publication of CN110823808A publication Critical patent/CN110823808A/zh
Priority to US16/909,550 priority patent/US11209596B2/en
Application granted granted Critical
Publication of CN110823808B publication Critical patent/CN110823808B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2821—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using lateral coupling between contiguous fibres to split or combine optical signals
    • G02B6/2826—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using lateral coupling between contiguous fibres to split or combine optical signals using mechanical machining means for shaping of the couplers, e.g. grinding or polishing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0045—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it by shaping at least a portion of the light guide
    • G02B6/0046—Tapered light guide, e.g. wedge-shaped light guide
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1434—Optical arrangements
    • G01N15/1436—Optical arrangements the optical arrangement forming an integrated apparatus with the sample container, e.g. a flow cell
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N2021/6484—Optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/4133—Refractometers, e.g. differential
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides
    • G01N2201/0846—Fibre interface with sample, e.g. for spatial resolution
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides
    • G01N2201/088—Using a sensor fibre
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Abstract

本发明提供了一种拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法，生物传感器包括：宽带光源、第一单模光纤、拉锥侧抛光纤、第二单模光纤和光谱仪；所述宽带光源通过所述第一单模光纤和所述拉锥侧抛光纤连接，所述拉锥侧抛光纤通过所述第二单模光纤和所述光谱仪连接；所述宽带光源用于发射光波；所述光谱仪用于显示依次通过所述第一单模光纤、所述拉锥侧抛光纤和所述第二单模光纤的光波对应的光谱。本发明将光纤侧抛技术与拉锥光纤技术结合构建拉锥侧抛光纤，通过改变侧抛拉锥区域周围的折射率使得光谱发生变化，从而对折射率进行测量。另外本发明设置的所述拉锥侧抛光纤能够产生游标效应，提高传感器的抗电磁干扰和测量折射率的灵敏度。

Description

拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法。
背景技术
在过去的几十年里，随着光纤通信和光电技术的迅速发展，光纤传感技术也得到了比较全面的发展。光纤传感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、可弯曲扭曲、进行点式和分布式测量等优点在建筑工程、电力工业、航天航海、环境检测及生化传感等领域广泛应用。美国最早研究出了光纤陀螺仪、水声器、磁强计等光纤传感器和用于核辐射监测的光纤传感器。目前，光纤传感器已经从军事上到民用上都得到了广泛的应用。
免标记光纤传感器作为生物传感器研究的重要方向，目前使用最广泛的包括表面等离子体谐振腔生物传感器、光学谐振腔生物传感器和光子晶体生物传感器。其中表面等离子体谐振腔生物传感器需要形成表面等离子体谐振腔，其金属层的厚度要恰好能激发表面等离子体，因此厚度无法准确把控，且其探测极限很大，对低浓度的生物分子灵敏度不高；单一的光学谐振腔生物传感器的自由光谱范围以及品质因子都不高，不能满足低浓度的生物分子探测需求，虽然可以通过拓扑结构对其进行优化，但是，结构会变得复杂，增加工艺难度；光子晶体生物传感器的重复性、选择性以及抗干扰性是一个难以突破的问题，且灵敏度相对其他传感器较低。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种拉锥侧抛光纤生物传感器，以提高传感器的抗电磁干扰和折射率的灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供了一种拉锥侧抛光纤生物传感器，所述生物传感器包括：
宽带光源、第一单模光纤、拉锥侧抛光纤、第二单模光纤和光谱仪；所述宽带光源通过所述第一单模光纤和所述拉锥侧抛光纤连接，所述拉锥侧抛光纤通过所述第二单模光纤和所述光谱仪连接；
所述宽带光源用于发射光波；
所述光谱仪用于显示依次通过所述第一单模光纤、所述拉锥侧抛光纤和所述第二单模光纤的光波对应的光谱。
可选的，所述拉锥侧抛光纤的拉锥长度L的范围为2mm-60mm，所述拉锥侧抛光纤的锥腰区域半径R的范围为0.5μm-10μm，所述拉锥侧抛光纤的拉锥深度d的范围0.5R-1.5R。
可选的，所述拉锥侧抛光纤的拉锥长度L的范围为20mm-60mm，所述拉锥侧抛光纤的锥腰区域半径R的范围为2μm-10μm，所述拉锥侧抛光纤的拉锥深度d的范围0.5R-1R。
可选的，所述拉锥侧抛光纤为非圆对称光纤。
可选的，所述第一单模光纤的输出功率公式为：
Figure BDA0002312780590000021
其中，P′out为所述第一单模光纤的输出功率，
Figure BDA0002312780590000022
为x偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，
Figure BDA0002312780590000023
为y偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，P′in为所述第一单模光纤的输入功率。
可选的，所述第二单模光纤的输出功率公式为：
Figure BDA0002312780590000024
其中，P″out为第二单模光纤的输出功率，Px为入射光中x偏振所占光功率，Py为入射光中y偏振所占光功率，
Figure BDA0002312780590000025
为x偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，
Figure BDA0002312780590000026
为y偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差。
本发明还提供一种用于制备拉锥侧抛光纤的方法，所述方法包括：
利用轮式光纤侧面抛磨系统对第三单模光纤进行侧抛，获得侧抛光纤；
利用拉锥机将所述侧抛光纤进行拉锥，获得拉锥侧抛光纤。
可选的，所述利用轮式光纤侧面抛磨系统对第三单模光纤进行侧抛，获得侧抛光纤，具体包括：
将第三单模光纤的一端用光纤夹具夹住，再用米勒钳将所述第三单模光纤中间剥去设定厚度的涂覆层；
用沾有酒精的擦镜纸反复擦拭剥去所述涂覆层的第三单模光纤，直至干净为止；
将擦拭干净的第三单模光纤从磨轮上边绕过，并使被剥去涂覆层的第三单模光纤与磨轮紧密接触，另一端再用光纤夹具夹住；
调整在光纤夹具下的平移台沿x轴方向移动，让被剥去涂覆层的第三单模光纤受到设定拉力后进行研磨，获得侧抛光纤。
可选的，所述利用拉锥机将侧抛光纤进行拉锥，获得拉锥侧抛光纤，具体包括：
将侧抛光纤的两端各熔接一根跳线，然后打开拉锥机的电源开关，启动所述拉锥机；
待所述拉锥机初始化完毕，进入所述拉锥机的控制软件中的参数界面，输入拉锥参数；
接着用点火器将火焰头点燃，打开真空泵，将所述侧抛光纤对准火焰头放置在真空吸附式夹具上，确认所述侧抛光纤牢牢吸附在夹具上，直到调整到听不到真空泵的吸气声为止；
将所述侧抛光纤的一端连接到所述宽带光源上，另一端连接到所述光谱仪上，按下START键，开始拉锥，通过所述光谱仪观察直至获得预设干涉谱时，则停止拉锥，将所述侧抛光纤进行封装，获得拉锥侧抛光纤。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法，所述生物传感器包括：宽带光源、第一单模光纤、拉锥侧抛光纤、第二单模光纤和光谱仪；所述宽带光源通过所述第一单模光纤和所述拉锥侧抛光纤连接，所述拉锥侧抛光纤通过所述第二单模光纤和所述光谱仪连接；所述宽带光源用于发射光波；所述光谱仪用于显示依次通过所述第一单模光纤、所述拉锥侧抛光纤和所述第二单模光纤的光波对应的光谱。本发明将光纤侧抛技术与拉锥光纤技术结合构建拉锥侧抛光纤，通过改变侧抛拉锥区域周围的折射率使得光谱发生变化，从而对折射率进行测量。另外本发明设置的所述拉锥侧抛光纤能够产生游标效应，提高传感器的抗电磁干扰和测量折射率的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例拉锥侧抛光纤生物传感器整体结构示意图；
图2为本发明实施例拉锥侧抛光纤结构示意图；
图3为本发明实施例拉锥侧抛光纤锥腰区域x-偏振和y-偏振非相干叠加原理图；
图4为本发明实施例拉锥侧抛光纤锥腰区域奇模和偶模等效折射率变化；
图5为本发明实施例投射光谱曲线图和游标效应干涉谱；
图6为本发明实施例本发明游标效应干涉谱。
图中：1、宽带光源，2、第一单模光纤，3、拉锥侧抛光纤，4、第二单模光纤，5、光谱仪，6、侧抛拉锥区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种拉锥侧抛光纤生物传感器，以提高传感器的抗电磁干扰和测量折射率的灵敏度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例拉锥侧抛光纤生物传感器整体结构示意图，图2为本发明实施例拉锥侧抛光纤结构示意图一种拉锥侧抛光纤生物传感器，所述生物传感器包括：
宽带光源1、第一单模光纤2、拉锥侧抛光纤3、第二单模光纤4和光谱仪5；所述宽带光源1通过所述第一单模光纤2和所述拉锥侧抛光纤3连接，所述拉锥侧抛光纤3通过所述第二单模光纤4和所述光谱仪5连接；
所述宽带光源1用于发射光波；
所述光谱仪5用于显示依次通过所述第一单模光纤2、所述拉锥侧抛光纤3和所述第二单模光纤4的光波对应的光谱。
作为一种实施方式，本发明所述拉锥侧抛光纤3的拉锥长度L的范围为2mm-60mm；优选所述拉锥侧抛光纤3的拉锥长度L的范围为20mm-60mm；进一步优选所述拉锥侧抛光纤3的拉锥长度L为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm和55mm中任意一种。
作为一种实施方式，本发明所述拉锥侧抛光纤3的锥腰区域半径R的范围为0.5μm-10μm，优选所述拉锥侧抛光纤3的锥腰区域半径R的范围为2μm-10μm；进一步优选所述拉锥侧抛光纤3的锥腰区域半径R的为3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm和9μm中任意一种。
作为一种实施方式，本发明所述拉锥侧抛光纤3的拉锥深度d的范围0.5R-1.5R；所述拉锥侧抛光纤3的拉锥深度d的范围0.5R-1R；进一步优选所述拉锥侧抛光纤3的拉锥深度d为0.6R、0.7R、0.8R和0.9R中任意一种。
作为一种实施方式，本发明所述拉锥侧抛光纤3为非圆对称光纤；所述拉锥侧抛光纤3是将第三单模光纤进行侧抛和拉锥处理获得的。
作为一种实施方式，本发明所述第一单模光纤2、所述第二单模光纤4和所述第三单模光纤为一体结构，且为同种单模光纤。
本发明还提供一种用于制备拉锥侧抛光纤的方法，所述方法包括：
步骤S1：利用轮式光纤侧面抛磨系统对第三单模光纤进行侧抛，获得侧抛光纤；
步骤S2：利用拉锥机将侧抛光纤进行拉锥，获得拉锥侧抛光纤。
步骤S1：利用轮式光纤侧面抛磨系统对第三单模光纤进行侧抛，获得侧抛光纤，具体包括：
步骤S11：将第三单模光纤的一端用光纤夹具夹住，再用米勒钳将所述第三单模光纤中间剥去设定厚度的涂覆层；
步骤S12：用沾有酒精的擦镜纸反复擦拭剥去所述涂覆层的第三单模光纤，直至干净为止；
步骤S13：将擦拭干净的第三单模光纤从磨轮上边绕过，并使被剥去涂覆层的第三单模光纤与磨轮紧密接触，另一端再用光纤夹具夹住；
步骤S14：调整在光纤夹具下的平移台沿x轴方向移动，让被剥去涂覆层的第三单模光纤受到设定拉力后进行研磨，获得侧抛光纤。
步骤S15：将侧抛光纤两端通过光纤适配器分别连接到光源和光功率计上，通过光功率计和光源在线监测单模光纤的透射功率。
步骤S2：利用拉锥机将侧抛光纤进行拉锥，获得拉锥侧抛光纤，具体包括：
步骤S21：将侧抛光纤的两端各熔接一根跳线，然后打开拉锥机的电源开关，启动所述拉锥机；
步骤S22：待所述拉锥机初始化完毕，进入所述拉锥机的控制软件中的参数界面，输入拉锥参数；
步骤S23：接着用点火器将火焰头点燃，打开真空泵，将侧抛光纤对准火焰头放置在真空吸附式夹具上，确认侧抛光纤牢牢吸附在夹具上，直到调整到听不到真空泵的吸气声为止；
步骤S24：将侧抛光纤的一端连接到宽带光源上，另一端连接到光谱仪上，按下START键，开始拉锥，通过光谱仪观察直至获得预设干涉谱时，则停止拉锥，将侧抛光纤进行封装，获得拉锥侧抛光纤。
本发明提出先将第三单模光纤进行侧抛，再对侧抛光纤进行拉锥，拉锥后的微纳光纤具有非圆对称性，因此可以激发双折射效应，在输出端x偏振和y偏振方向上的两种干涉的非相干叠加，产生明显的游标效应，放大由环境折射率引起的波长漂移，显著的提高了微纳光纤的传感性能。另外，由于拉锥后的所述拉锥侧抛光纤具有很强的倏逝场，倏逝场与外界环境相互作用，所述拉锥侧抛光纤中的传输光波将随外界环境折射率的变化而变化，实现对外界环境折射率的高灵敏响应。
为了更加直观地说明游标效应，我们对拉锥侧抛光纤进行了仿真。如图3所示，当输入一个非偏振光时，可以将其正交分解为x方向上的偏振光和y方向上的偏振光，x偏振方向上的奇模和偶模以及y偏振方向上的奇模和偶模在侧抛拉锥区域得以激发，这两种偏振方向上的奇模和偶模在所述拉锥侧抛光纤的锥腰区域前向传播并发生干涉，从而会在输出端得到相应的干涉光谱。由于所述拉锥侧抛光纤为非圆对称性，因此在侧抛拉锥区域产生双折射效应，在输出端得到两列干涉周期略有不同的不同偏振的干涉谱的非相干叠加，从而形成游标效应。
假设入射光中x偏振和y偏振所占光功率分别为Px和Py，则所述第二单模光纤的输出功率为：
Figure BDA0002312780590000071
其中，P″out为第二单模光纤的输出功率，Px为入射光中x偏振所占光功率，Py为入射光中y偏振所占光功率，
Figure BDA0002312780590000072
为x偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，
Figure BDA0002312780590000073
为y偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差。
同一偏振态的偶模和奇模的相位差可以表示为：
Figure BDA0002312780590000074
Figure BDA0002312780590000075
其中，为x偏振态的偶模的有效折射率，
Figure BDA0002312780590000077
为x偏振态的奇模的有效折射率，
Figure BDA0002312780590000078
为y偏振态的偶模的有效折射率，
Figure BDA0002312780590000079
为y偏振态的奇模的有效折射率，λ为入射光波长，L为假设耦合区域的等效长度。
假设入射光中x偏振态和y偏振态功率相等，即：Px＝Py＝P′in/2，其中，P′in为所述第一单模光纤的输入功率，则所述第一单模光纤的输出功率为：
Figure BDA0002312780590000081
其中，P′out为所述第一单模光纤的输出功率，
Figure BDA0002312780590000082
为x偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，
Figure BDA0002312780590000083
为y偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，P′in为所述第一单模光纤的输入功率。
将
Figure BDA0002312780590000084
看作连续载波信号，通过希尔伯特变换求得信号的上包络函数为：
Figure BDA0002312780590000085
信号的下包络的函数为：
Figure BDA0002312780590000086
其中,
Figure BDA0002312780590000087
Figure BDA0002312780590000088
为x偏振态的偶模的有效折射率，为x偏振态的奇模的有效折射率，
Figure BDA00023127805900000810
为y偏振态的偶模的有效折射率，
Figure BDA00023127805900000811
为y偏振态的奇模的有效折射率，λ为入射光波长，L为假设耦合区域的等效长度。
下包络曲线中的波谷满足：
Figure BDA00023127805900000812
其中，
Figure BDA00023127805900000813
为拉锥侧抛光纤偶模的双折射系数，
Figure BDA00023127805900000814
为拉锥侧抛光纤奇模的双折射系数，N表示下包络曲线中第N个波谷，λN表示第N个波谷位置所对应的波长。
公式(12)等号两边分别针对折射率n取偏导数并整理可得到拉锥侧抛光纤折射率的灵敏度公式为：
Figure BDA0002312780590000091
其中，
Figure BDA0002312780590000092
为偶模的群双折射系数，为奇模的群双折射系数。
图4为本发明实施例拉锥侧抛光纤锥腰区域奇模和偶模等效折射率变化，图中横坐标为波长，纵坐标为折射率。由图4可知，对于x-和y-偏振偶模的有效折射率略高于奇模，且所有的有效折射率向波长更长的方向变小。此外x-偏振中奇模的有效折射率明显大于y-偏振，而偶模在这两种偏振中的有效折射率非常接近，因此，可以推断奇模式主要对相位差起作用。
图5为本发明实施例投射光谱曲线图和游标效应干涉谱，如图5所示，仿真模拟的拉锥侧抛光纤的拉锥长度L＝30mm，当侧抛拉锥区域周围的折射率从1.334变化到1.3342时，光谱发生红移，此时的移动量很小，可以利用游标效应将微小的波长偏移量放大M倍，其放大倍数M可以表示为：
Figure BDA0002312780590000094
其中，Δλc为单个波峰的移动量，Δλs为游标包络移动量；
因此，游标效应可以显著地改善传感性能，实现对折射率的测量。
实验实施案例：
本发明先通过侧抛制备侧抛光纤，然后对侧抛光纤进行融熔拉锥，获得拉锥侧抛光纤，拉锥长度L＝30mm，锥腰区域半径R＝2.332μm，拉锥后侧抛光纤深度d＝2.15um，通过光谱仪测得在空气中的光谱如图6所示，其中出现了明显的游标效应。
本发明由于拉锥侧抛光纤具有侧面抛光光纤包层，从而提高包层模态的易损性、机械性能好，灵敏度高。另外由于拉锥侧抛光纤为非圆对称性，引起双折射效应，x偏振和y偏振方向上的两种干涉的非相干叠加，产生明显的游标效应，显著提高传感性能。另外本发明设计的拉锥侧抛光纤生物传感器具有折射率的灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、结构简单并且操作使用方便的优点，因此能够直接通过物体中钻孔进入被分析物中进行检测，大大提高了传感器的响应速度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种拉锥侧抛光纤生物传感器，其特征在于，所述生物传感器包括：
宽带光源、第一单模光纤、拉锥侧抛光纤、第二单模光纤和光谱仪；所述宽带光源通过所述第一单模光纤和所述拉锥侧抛光纤连接，所述拉锥侧抛光纤通过所述第二单模光纤和所述光谱仪连接；
所述宽带光源用于发射光波；
所述光谱仪用于显示依次通过所述第一单模光纤、所述拉锥侧抛光纤和所述第二单模光纤的光波对应的光谱。
2.根据权利要求1所述的拉锥侧抛光纤生物传感器，其特征在于，所述拉锥侧抛光纤的拉锥长度L的范围为2mm-60mm，所述拉锥侧抛光纤的锥腰区域半径R的范围为0.5μm-10μm，所述拉锥侧抛光纤的拉锥深度d的范围0.5R-1.5R。
3.根据权利要求2所述的拉锥侧抛光纤生物传感器，其特征在于，所述拉锥侧抛光纤的拉锥长度L的范围为20mm-60mm，所述拉锥侧抛光纤的锥腰区域半径R的范围为2μm-10μm，所述拉锥侧抛光纤的拉锥深度d的范围0.5R-1R。
4.根据权利要求1所述的拉锥侧抛光纤生物传感器，其特征在于，所述拉锥侧抛光纤为非圆对称光纤。
5.根据权利要求1所述的拉锥侧抛光纤生物传感器，其特征在于，所述第一单模光纤的输出功率公式为：
Figure FDA0002312780580000011
其中，P′out为所述第一单模光纤的输出功率，为x偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，
Figure FDA0002312780580000013
为y偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，P′in为所述第一单模光纤的输入功率。
6.根据权利要求1所述的拉锥侧抛光纤生物传感器，其特征在于，所述第二单模光纤的输出功率公式为：
其中，P″out为第二单模光纤的输出功率，Px为入射光中x偏振所占光功率，Py为入射光中y偏振所占光功率，
Figure FDA0002312780580000021
为x偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差，为y偏振态的偶模和奇模在耦合区域所积累的相位差。
7.一种用于制备拉锥侧抛光纤的方法，其特征在于，所述方法包括：
利用轮式光纤侧面抛磨系统对第三单模光纤进行侧抛，获得侧抛光纤；
利用拉锥机将所述侧抛光纤进行拉锥，获得拉锥侧抛光纤。
8.根据权利要求7所述的用于制备拉锥侧抛光纤的方法，其特征在于，所述利用轮式光纤侧面抛磨系统对第三单模光纤进行侧抛，获得侧抛光纤，具体包括：
将第三单模光纤的一端用光纤夹具夹住，再用米勒钳将所述第三单模光纤中间剥去设定厚度的涂覆层；
用沾有酒精的擦镜纸反复擦拭剥去所述涂覆层的第三单模光纤，直至干净为止；
将擦拭干净的第三单模光纤从磨轮上边绕过，并使被剥去涂覆层的第三单模光纤与磨轮紧密接触，另一端再用光纤夹具夹住；
调整在光纤夹具下的平移台沿x轴方向移动，让被剥去涂覆层的第三单模光纤受到设定拉力后进行研磨，获得侧抛光纤。
9.根据权利要求7所述的用于制备拉锥侧抛光纤的方法，其特征在于，所述利用拉锥机将侧抛光纤进行拉锥，获得拉锥侧抛光纤，具体包括：
将侧抛光纤的两端各熔接一根跳线，然后打开拉锥机的电源开关，启动所述拉锥机；
待所述拉锥机初始化完毕，进入所述拉锥机的控制软件中的参数界面，输入拉锥参数；
接着用点火器将火焰头点燃，打开真空泵，将所述侧抛光纤对准火焰头放置在真空吸附式夹具上，确认所述侧抛光纤牢牢吸附在夹具上，直到调整到听不到真空泵的吸气声为止；
将所述侧抛光纤的一端连接到所述宽带光源上，另一端连接到所述光谱仪上，按下START键，开始拉锥，通过所述光谱仪观察直至获得预设干涉谱时，则停止拉锥，将所述侧抛光纤进行封装，获得拉锥侧抛光纤。
CN201911265735.6A 2019-12-11 2019-12-11 拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法 Active CN110823808B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911265735.6A CN110823808B (zh) 2019-12-11 2019-12-11 拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法
US16/909,550 US11209596B2 (en) 2019-12-11 2020-06-23 Tapered side-polished fiber-optic biosensor and method for preparing tapered side-polished fiber

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911265735.6A CN110823808B (zh) 2019-12-11 2019-12-11 拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110823808A true CN110823808A (zh) 2020-02-21
CN110823808B CN110823808B (zh) 2023-01-24

Family

ID=69544640

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911265735.6A Active CN110823808B (zh) 2019-12-11 2019-12-11 拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11209596B2 (zh)
CN (1) CN110823808B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112747835A (zh) * 2020-12-07 2021-05-04 北京信息科技大学 一种基于侧面抛磨的多模光纤温度传感结构及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117433677B (zh) * 2023-12-18 2024-04-19 之江实验室 基于光谱变化的微纳光纤锥区受力位置检测方法和装置

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103293131A (zh) * 2013-05-28 2013-09-11 暨南大学 一种响应快速锥形微纳光纤湿度传感器及其制备方法
CN203287311U (zh) * 2013-04-03 2013-11-13 中国计量学院 一种基于双锥型细芯单模光纤的透射式光纤湿度传感器
CN105954236A (zh) * 2016-03-10 2016-09-21 哈尔滨工程大学 一种纤维集成多螺旋芯光纤spr传感阵列芯片
CN206440612U (zh) * 2017-01-12 2017-08-25 汕头大学 一种新型锥形保偏光纤折射率传感器
CN206876573U (zh) * 2017-07-10 2018-01-12 南京邮电大学 一种微纳光纤折射率传感器
CN107843758A (zh) * 2017-09-11 2018-03-27 南京森塞光电科技有限公司 一种二模拉锥光纤电流传感器及制备方法
CN108426533A (zh) * 2018-04-12 2018-08-21 南昌航空大学 一种用于检测微纳光纤直径的传感器及其制作方法
CN109612967A (zh) * 2019-01-16 2019-04-12 南昌航空大学 基于马赫-曾德干涉的微纳光纤生物传感器及其制备方法
CN109752034A (zh) * 2019-03-18 2019-05-14 南昌航空大学 基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器
CN109781664A (zh) * 2019-01-14 2019-05-21 太原理工大学 拉锥光纤lmr瓦斯气体传感器
CN110196071A (zh) * 2019-06-22 2019-09-03 南昌航空大学 基于法布里珀罗腔侧抛光纤传感器及其制备方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6445851B1 (en) * 1998-12-15 2002-09-03 Arroyo Optics Inc. Tapered fiber gratings and applications
US7318909B2 (en) * 2001-12-12 2008-01-15 Trustees Of Princeton University Method and apparatus for enhanced evanescent field exposure in an optical fiber resonator for spectroscopic detection and measurement of trace species
WO2007127512A2 (en) * 2006-01-31 2007-11-08 Drexel University Ultra sensitive tapered fiber optic biosensor for pathogens, proteins and dna
KR101257309B1 (ko) * 2011-11-11 2013-04-23 한국과학기술연구원 광섬유 표면 플라즈몬 공진 센서 및 이를 이용한 센싱 방법
EP3096131A1 (en) * 2015-05-18 2016-11-23 International Iberian Nanotechnology Laboratory An optical fibre for use in a system for detection of one or more compounds in a fluid
US20160370288A1 (en) * 2015-05-23 2016-12-22 Washington University Transient sensing of au nanorods using tapered optical fiber
US9921164B2 (en) * 2016-05-11 2018-03-20 Uvic Industry Partnerships Inc. System and method for molecule sensing using evanescent light coupling approach

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203287311U (zh) * 2013-04-03 2013-11-13 中国计量学院 一种基于双锥型细芯单模光纤的透射式光纤湿度传感器
CN103293131A (zh) * 2013-05-28 2013-09-11 暨南大学 一种响应快速锥形微纳光纤湿度传感器及其制备方法
CN105954236A (zh) * 2016-03-10 2016-09-21 哈尔滨工程大学 一种纤维集成多螺旋芯光纤spr传感阵列芯片
CN206440612U (zh) * 2017-01-12 2017-08-25 汕头大学 一种新型锥形保偏光纤折射率传感器
CN206876573U (zh) * 2017-07-10 2018-01-12 南京邮电大学 一种微纳光纤折射率传感器
CN107843758A (zh) * 2017-09-11 2018-03-27 南京森塞光电科技有限公司 一种二模拉锥光纤电流传感器及制备方法
CN108426533A (zh) * 2018-04-12 2018-08-21 南昌航空大学 一种用于检测微纳光纤直径的传感器及其制作方法
CN109781664A (zh) * 2019-01-14 2019-05-21 太原理工大学 拉锥光纤lmr瓦斯气体传感器
CN109612967A (zh) * 2019-01-16 2019-04-12 南昌航空大学 基于马赫-曾德干涉的微纳光纤生物传感器及其制备方法
CN109752034A (zh) * 2019-03-18 2019-05-14 南昌航空大学 基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器
CN110196071A (zh) * 2019-06-22 2019-09-03 南昌航空大学 基于法布里珀罗腔侧抛光纤传感器及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112747835A (zh) * 2020-12-07 2021-05-04 北京信息科技大学 一种基于侧面抛磨的多模光纤温度传感结构及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11209596B2 (en) 2021-12-28
CN110823808B (zh) 2023-01-24
US20210181420A1 (en) 2021-06-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11112316B2 (en) Optical fiber temperature sensor
EP3551963B9 (en) Waveguide interferometer
CN105092535B (zh) 分布式表面等离子体共振光纤传感器
CN110470240B (zh) 一种光纤曲率测量传感器及其测量系统
CN113324570B (zh) 一种基于气球形光纤mzi的传感装置及气球形光纤mzi传感器制作方法
CN110823808B (zh) 拉锥侧抛光纤生物传感器及用于制备拉锥侧抛光纤的方法
CN103344277A (zh) 一种可同时检测双参量的法珀传感器及检测装置
CN103411542A (zh) 一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤微位移传感器及其制作方法
CN110308115A (zh) 一种干涉型光纤spr传感器
Yin et al. Experimental study of surface plasmon resonance refractive index sensor based on side-polished few-mode fiber
Shao et al. Large measurement-range and low temperature cross-sensitivity optical fiber curvature sensor based on Michelson interferometer
CN114111857A (zh) 一种基于游标效应的光纤fpi级联mi传感装置
Salman et al. Tapered splicing points SMF-PCF-SMF structure based on Mach-Zehnder interferometer for enhanced refractive index sensing
CN117537853A (zh) 一种基于19芯4模光纤的双参数测量传感方法和传感器
CN219675124U (zh) 一种基于折射率传感的微光纤半耦合反射式探针结构
Li et al. A highly sensitive curvature sensor based on omega-shaped long-period fiber grating
CN108827189B (zh) 一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器
Zhang et al. High Sensitivity Balloon-Like Sensor Based on Twin-Core and Twin-Hole Fiber
Chen et al. Refractive index sensors based on a chirped core long-period fiber grating
CN114791294A (zh) 一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤传感器及方法
Salman Refractive index sensor based on a solid-core photonic crystal fiber interferometer
CN113740298A (zh) 基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置及检测方法
Zhu et al. The measurement of sucrose concentration by two-tapered all-fiber Mach–Zehnder interferometer employing different coupling structures and manufacture processes
CN207096273U (zh) 一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器
CN104897618B (zh) 一种双通道分布式传感检测装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant