CN111122456A - 一种错位异质结构光纤表面等离子体共振传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于错位异质结构的光纤表面等离子体共振传感器，属于光纤传感技术领域。错位异质结构的石英光纤表面等离子体共振传感探头是通过将单模光纤一端与多模石英光纤进行错位熔接后，再将其另一端与多模光纤进行正常熔接，而后在其上镀制金纳米颗粒制备得到的。本发明利用将多模光纤与单模光纤进行错位熔接来获得更强的倏逝波，从而提高表面等离子体共振的激发效率，实现表面等离子体共振增强的效果。该传感器具有结构和制备工艺简单、成本低廉，并且具有较高灵敏度等特点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于错位异质结构的光纤表面等离子体共振传感器。
背景技术
表面等离子体共振(SPR)技术在食品安全、生物医疗、环境监测等诸多领域具有重要应用价值。该技术是利用传输光的倏逝波与其所激发的金属表面等离子体波之间的共振而进行工作的，该技术可以实现高灵敏的折射率传感。传统的SPR传感器基于棱镜系统来实现光波与表面等离子体波之间的耦合，但该体统一般体积较大、结构复杂、成本较高，并且不能进行临场检测。相比之下，基于光纤的SPR传感器则具有体积小巧、结构简单、可实现远程以及临场检测等优点。自1991年第一个光纤SPR传感器被提出以来，就受到了广泛关注。
目前，基于光纤的SPR传感器种类繁多。如基于锥形光纤的SPR传感器，基于侧抛光纤的SPR传感器，基于光纤光栅的SPR传感器等。但是，光纤经过拉锥或者抛磨以后其机械强度会明显的下降，不利于传感器的实际应用，虽然基于光纤光栅的SPR传感器具有较好的机械性能，但是光栅的制备本身也比较复杂，成本也较高。近年来，文献“”报道了一种异质纤芯的光纤SPR传感器，具有结构简单、机械性能好，以及成本低廉等优势。但是该种结构的光纤SPR传感器灵敏度较低，SPR的激发效率不高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种错误异质结构的光纤SPR传感器，该传感器结构简单、制备工艺简单、成本低廉，并且可以有效提高传感灵敏度。
作为本发明的第一个方面，提供了一种错位异质结构光纤SPR传感探头的制备方法：S1：利用光纤熔接机的手动模式，将端面切割好的多模石英光纤和单模石英进行错位熔接。S2：再将单模石英光纤进行定长度的切割，然后将其与另一段多模光纤直接进行熔接(不错位)，从而制备出了错位异质型结构的石英光纤探头。S3：将做好的错位异质结构石英光纤探头放入镀膜机中，采用磁控溅射的方法可以在其上镀制一层金属膜。
本发明提供了一种错位异质结构的光纤SPR传感器，它由光源、错位异质结构的石英光纤SPR探头以及检测装置组成。错位的一端与光源相连，另一端则与检测装置相连。
本发明还可以包括：
1、所述的错位异质型结构的光纤探头使用的是石英光纤，光纤的外径为125μm，单模纤芯直径范围为8～10μm，多模纤芯直径范围为50～80μm。
2、利用光纤熔接机可以调节石英光纤探头错位量的大小，错位范围为2～60μm。
3、所述的错位异质结构中单模光纤的长度为5～20mm。
4、所述的金属膜为金纳米颗粒，其厚度范围为30～70nm。
5、所述的光源可以是带宽光源；所述的检测装置是光谱仪。
6、错位异质型结构的石英光纤探头的金属膜厚度可以通过调整镀膜的电流、时间、以及真空度来控制。
由于多模光纤与单模光纤直径差别较大，当将多模光纤与单模光纤直接进行熔接后，就会使多模光纤中传输的一部分光能量耦合进入到单模光纤当中，这部分光会在单模光纤的包层与金属膜的界面上发生全反射，从而产生倏逝波进入到金属膜层当中。当倏逝波与金属层中所激发的表面等离子体波发生耦合时，一定波长的光能量会被金属层所吸收，从而在透射光谱中出现明显的干涉峰，即SPR共振峰。而当金属膜周围环境折射率发生变化时，会改变倏逝波与表面等离子体波之间的耦合效率，从而会引起干涉峰位置的偏移，因此，采用该结构可以激发SPR效应，进行折射率的传感。本发明是采用将多模光纤与单模光纤进行错位熔接，该结构可以将更多在多模光纤中传输的光能量耦合进入到单模光纤的包层当中，从而在单模光纤的包层中产生更强的消逝场，进而提高SPR的激发效率。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明的光纤SPR传感器传感探头的制作不需要复杂的光栅写入设备，制作工艺简单，容易控制，成本低廉，便于商业化生产。
2)本发明的光纤SPR传感器所采用的错位异质结构的石英光纤探头可以有效增强SPR的激发效应，从而提高传感灵敏度。
附图说明
图1是本发明的错位异质结构石英光纤SPR传感器的装置结构示意图；
图2是本发明的错位异质结构石英光纤SPR传感探头示意图；
图3是本发明的错位异质结构光纤SPR传感探头在不同折射率溶液条件下的透射光谱；
图4是本发明的光纤SPR探头所测的溶液折射率与SPR共振峰位置关系曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，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。
参见图1，本发明的基于错位异质型结构的增强型光纤表面等离子体共振传感器，由光源1、光纤的载物台2、错位异质结构石英光纤传感探头3、和光谱仪4组成。光源与多模-单模光纤错位的一端与相连，光纤探头的另一端则与光谱仪相连。在工作时，光源1发出的光经过多模光纤到传输到了多模与单模光纤的错位结构处，由于多模光纤与单模光纤直径差别较大，且相互错位熔接，就会有相当一部分的光能量从多模光纤中耦合进入到单模光纤当中，这部分光会在单模光纤的包层与金属膜的界面上发生全反射，从而产生倏逝波进入到金属膜层当中。当倏逝波与金属层中所激发的表面等离子体波发生耦合时，一定波长的光能量会被金属层所吸收，从而在透射光谱中出现明显的干涉峰，即SPR共振峰。而当金属膜周围环境折射率发生变化时，会改变倏逝波与表面等离子体波之间的耦合效率，从而会引起干涉峰位置的偏移，因此，利用光谱仪4可以监测干涉峰位置的偏移，从而可实现被测溶液折射率的测量。
参见图2，为本发明的错位异质结构石英光纤SPR传感探头示意图。本实施例所采用的石英光纤为商用石英光纤，光纤的外径为125μm，单模纤芯直径范围为8～10μm，多模纤芯直径范围为50～80μm。制备时首先需要利用光纤切割机将多模石英光纤5和单模光纤6的端面切平，然后利用光纤熔接机的手动模式，将多模石英光纤和单模石英进行错位熔接；之后将熔接好的单模石英光纤进行一定长度的切割，并将其与另一段多模光纤7直接进行熔接(不错位)，从而制备出了错位异质型结构的石英光纤。最后，将做好的错位异质结构石英光纤放入镀膜机中，采用磁控溅射的方法可以在其上镀制一层金属膜8，就可以得到错位异质结构光纤SPR传感探头。
参见图3，本发明的错位异质结构光纤SPR传感探头在不同折射率溶液条件下的透射光谱。在测量时需要将石英光纤SPR传感探头浸入到甘油水溶液当中，然后采用光谱仪记录其输出光谱数据。在每一次测量之后，需要使用酒精和去离子水将探头洗净，然后吹干再进行下一次的测量。由图三可以看出，随着被测溶液折射率的增加，共振峰向着长波方向移动。
参见图4，本发明的光纤SPR探头所测的溶液折射率与SPR共振峰位置关系曲线。可以看出，在折射率测量范围1.335～1.410内，被测溶液折射率与共振波长的移动呈非线性的关系。传感器的灵敏度可以由响应曲线的斜率来确定，在折射率1.410处，该传感器灵敏度可达5783.8nm/RIU。灵敏度的表达式可有下式确定，
其中Δλ和Δn分别是干涉峰波长移动的变化量和被测溶液折射率的变化量。
Claims (2)
1.一种基于错位异质结构的光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：由光源、错位异质结构的石英光纤表面等离子体共振传感探头以及检测装置等组成，其中错位异质结构石英光纤由如下步骤制备得到，
S1：利用光纤熔接机的手动模式，将断面切割好的多模石英光纤和单模石英进行错位熔接。
S2：再将单模石英光纤进行定长度的切割，然后将其与另一段多模光纤直接进行熔接(不错位)，从而制备出了错位异质型结构的石英光纤探头。
2.如权利要求1所述的错位异质结构石英光纤，其特征在于：多模和单模光纤的错位量为0～15μm，单模石英光纤的长度为0.5～1.5mm。
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