CN112834463A

CN112834463A - 一种双侧抛塑料光纤增强型spr传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN112834463A
Application number: CN202011631205.1A
Authority: CN
Inventors: 滕传新; 刘连; 苑立波
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-05-25

Abstract

一种双侧抛增强型塑料光纤表面等离子体共振传感器，属于光纤传感器技术领域。由光源、双侧抛结构塑料光纤表面等离子体共振传感探头、光谱仪以及计算机组成。该双侧抛结构是通过将塑料光纤的一侧先进行抛磨，而后将其沿轴线方向其进行翻转，并再对与该抛磨面相对于轴向对称的另外一面进行抛磨而得到的。在抛磨后还需要对光纤的两抛磨面进行抛光处理，最后采用离子溅射的方式在抛磨面上镀制金纳米颗粒，就可以得到双侧抛结构塑料光纤表面等离子体共振传感探头。该器件可以有效增强表面等离子体共振效应，且具有结构和制备工艺简单、成本低廉、机械强度高与集成化高等优势。

Description

一种双侧抛塑料光纤增强型SPR传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种双侧抛塑料光纤增强型SPR传感器及其制备方法。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)传感技术是利用金属表面等离子体与光子相互耦合所激发出的表面等离子体波(SPW)进行传感的一种技术。对金属表面被测物折射率变化的高度敏感，就是SPR传感技术的物理基础。通过测量SPR光学信号的变化，可以推测出金属薄膜表面附着的被测物质折射率的变化，而通过对液体折射率的测量还可以得到其浓度、温度等物理量信息。目前，SPR传感技术已广泛应用于生物研究、化学分析、医药检测、环境监控等诸多方面。传统的SPR传感技术均基于棱镜来实现光波与表面等离子体波的耦合，但棱镜型SPR传感系统体积较大、成本较高。近年来，基于光纤的SPR传感技术得到了越来越多的研究与关注，它具有体积小、质量轻、系统结构简单，以及可实现远程分布式测量等诸多优点。

目前，现有的光纤SPR传感器种类繁多，结构各异，且多采用多模光纤激发。但由于多模光纤中存在的模式较多，会导致所激发出的SPR共振峰较宽，不利于高精度的测量，其分辨率和信噪比也较低。为了进一步提高传感器的分辨率和信噪比，于是研究人员提出了增强型的SPR传感器。如专利申请号201910680206.6的中国发明专利“一种耦合增强的D型光纤SPR传感器”提供了一种利用金纳米球壳实现耦合增强的SPR传感器，但是这种结构需要用到金纳米球壳，其工艺复杂，并且成本也很高；另外，论文“An Enhanced OpticalMultimode Fiber Sensor Based on Surface Plasmon Resonance With CascadedStructure”提出了一种采用级联侧抛结构的增强型SPR传感器，其通过将多模石英光纤进行两次侧抛，而后在其上镀制金属膜制备而成，但是石英光纤经过抛磨后会大大降低器件的机械强度，并且采用级联结构也会增加器件的长度。因此开发一种结构和制备工艺简单、成本低廉、机械强度较高且集成度高的增强型SPR传感器显得尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明利用塑料光纤提供一种结构简单、制备工艺简单、成本低廉的双侧抛塑料光纤增强型SPR传感器。相比于石英光纤，塑料光纤具有质地柔软、柔韧性好等优势，非常适用于光纤SPR传感器的研制。

作为本发明的第一方面，提供了一种双侧抛SPR塑料光纤探头的制备方法，包括S1：首先将光纤放在光纤支架上，然后将其缠绕在夹具上并且将光纤末端穿过夹具侧面的小孔，从而保持光纤处于绷紧状态。为了控制光纤的张力可以在其右端挂上砝码，并且可以根据实际加工需要合理选择砝码重量。砂轮上粘贴有砂纸，通过砂轮的旋转可以对光纤进行侧抛加工，砂轮固定在一个三维位移台上，通过三维位移台的移动可以控制砂轮进行移动。不同砂纸粒度会影响加工的速度以及侧抛表面的质量，需要根据实际情况合理选择砂纸粒度。三维位移台的移动由计算机控制，通过控制三维位移台的位移量可以控制侧抛深度以及侧抛区域长度。此外还可以通过调节砂轮的转速来改变加工速度。光纤的一面加工完成后还需要对其另外一面进行侧抛加工，这时仅需将光纤沿轴线翻转180°，然后反向缠绕在夹具上再进行之前的加工步骤即可。S2：由于经上述加工步骤所得到的侧抛面比较粗糙，无法激发SPR效应，为了改善抛磨面的质量，还需要对侧抛面进行抛光处理。该过程需要在侧抛面使用抛光液，再进行抛光加工。S3：采用离子溅射的方式分别对两个抛磨面进行镀膜，通过调整离子溅射仪的真空度、距离、电流以及时间等参数来控制镀膜质量以及膜厚度。

作为本发明的第二方面，提供了一种双侧抛塑料光纤增强型SPR传感器，它由光源、双侧抛塑料光纤探头、光谱仪及计算机组成。因所制备的双侧抛的塑料光纤探头具有对称结构，它的任意一端均可与光源相连，而另一段则与光谱仪相连。

本发明还可以包括：

1、所述的塑料光纤为多模塑料光纤，光纤外径为250～2000μm，纤芯直径范围为240～1980μm。

2、所述的双侧抛型塑料光纤探头的侧抛深度可以通过调节侧抛机的转速以及侧抛时间来调节，侧抛区域长度可以通过抛轮位移来控制。

3、所述的双侧抛型塑料光纤探头的侧抛深度为50～400μm，侧抛区域长度为5～30mm。

4、所述的金属膜材料为金纳米颗粒，其厚度为20～80nm。

5、所述的光源是卤素灯光源，波长为360～1000nm，光谱仪为可见光光谱仪，测量波段为240～900nm。

本发明是利用传输光所产生的倏逝波与金属膜中所激发的表面等离子体波之间的共振进行工作的。当两者发生共振时，倏逝波的能量会耦合到表面等离子体波当中，其结果会导致传输光透射光谱的固定波长位置处出现明显的共振吸收峰。而当金属膜周围的环境折射率发生变化时，会使倏逝波和表面等离子体波的共振耦合条件发生变化，从而导致共振峰的波长位置发生变化，因此，通过监测共振峰波长的偏移即可以检测环境折射率的变化。而采用双侧抛结构可以在相同抛磨长度的区域内，有效增加SPR的激发次数，从而实现SPR增强的效果。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明的SPR传感器采用的是多模塑料光纤，其芯径较大，柔韧性好，即使进行双侧抛加工，其仍可以保持较好的机械强度；

2)本发明的增强型光纤SPR传感探头的抛面位于同一位置处，缩短了器件的长度，集成度高；

3)本发明的双侧抛增强型光纤SPR传感探头制备工艺简单，成本低廉，易于商业化生产；

4)本发明的光纤SPR传感器可以在等效的器件长度内有效的增加SPR激发次数，从而可以实现SPR效应的增强，提高器件的测量精度。

附图说明

图1是本发明的增强型塑料光纤SPR传感器的结构示意图；

图2是本发明的双侧抛塑料光纤的制备装置示意图；

图3是单侧抛结构光纤SPR器件与本发明的双侧抛结构光纤SPR器件的结构示意图；

图4是本发明的增强型光纤SPR器件的仿真结果对比图。

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，为本发明的双侧抛塑料光纤增强型SPR传感器，其由光源1、双侧抛结构的塑料光纤传感探头2、光谱仪3和计算机4组成。由于所制作的光纤探头具有对称结构，光源可以与光纤探头的任意一端通过光纤相连，光纤探头的另一端则与光谱仪相连。工作时光源1发出光经由光纤到达双侧抛结构的塑料光纤传感探头2，当双侧抛结构的塑料光纤传感探头2浸入到溶液中时，光信号受到待测溶液的影响，经过调制后的光信号传输到光谱仪3中，其结果显示在计算机4中。本发明采用的塑料光纤为江西大圣塑料光纤有限公司生产的多模商用塑料光纤，其纤芯5的直径为980±1μm，6为塑料光纤包层，光纤的外径为1000±1μm，7为光纤两侧抛面所镀的金膜。

参见图2，为本发明的双侧抛塑料光纤的制备装置示意图。该装置由光纤夹具8、光纤支架9、砂轮10、三维位移台11和砝码12组成。光纤夹具8用于夹持光纤，光纤支架9用于支撑光纤使光纤悬空，在砂轮10上粘贴砂纸进行侧抛加工，三维位移台11用于控制砂轮的位移，砝码12用于控制光纤的张力。

对于双侧抛塑料光纤的制备过程如下：首先将光纤放在光纤支架上，然后将其缠绕在夹具8上并使光纤末端穿过夹具侧面的小孔，用以保持光纤处于绷紧状态。为了控制光纤张紧状态，可在其右端挂上砝码12，并根据实际加工需要合理选择砝码重量；砂轮10上粘贴有砂纸，通过砂轮的旋转可以对光纤进行侧抛加工，砂轮10装在一个三维位移台11上，随着三维位移台的移动可以带动砂轮进行移动，不同的砂纸粒度的会影响加工的速度以及侧抛表面的质量，需要根据实际合理选择砂纸粒度；三维位移台11的移动可以通过计算机进行控制，通过控制三维位移台的位移量可以控制侧抛深度以及侧抛区域长度。此外还能通过调节砂轮8的转速来改变加工速度；当塑料光纤的一面加工完成后还需要对其另一面进行侧抛加工，这时仅需将光纤轴线翻转180°，然后将其反向夹持在夹具8上，再进行之前的加工操作即可。

参见图3，为单侧抛结构光纤SPR器件与本发明的双侧抛结构光纤SPR器件的结构示意图。其中图3(a)为传统的单侧抛塑料光纤，包层13，纤芯14，待测物质15，金属膜16。工作时，入射光在抛面位置处产生倏逝波，从而激发SPR效应，进而可以对被测物质15的折射率进行测量。图3(b)为双侧抛结构塑料光纤SPR传感器件结构示意图。可以看出，对于双侧抛结构塑料光纤，在同样的抛磨长度内，该结构可以有效的增加SPR的激发次数，从而可以实现SPR效应的增强。该过程可以用传输光的反射率进行解释，即在一定得抛磨长度条件下，双侧抛结构的总反射率可以表示如下：

其中R_P是传输光的单次反射率，n为反射次数，其值大于单侧抛情况下的反射次数。

参见图4，为本发明的双侧抛塑料光纤SPR器件与单侧抛光纤SPR器件的仿真结果对比。该结果是根据菲涅尔公式以及金属的Drude模型计算得到的。由图可知，双侧抛塑料光纤SPR传感探头18比单侧抛结构塑料光纤SPR传感探头17具有更深的共振峰，说明SPR的激发效率得到了增强，从而可以进一步提高器件的测量精度。

Claims

1.一种双侧抛塑料光纤增强型SPR传感器，其特征在于；由光源、双侧抛结构的塑料光纤SPR传感探头、光谱仪以及计算机组成，光纤探头的一端与光源相连，另一端与光谱仪相连；且该双侧抛结构的塑料光纤如下步骤制备得到，

首先将光纤放在光纤支架上，然后将其缠绕在夹具上并将光纤末端穿过夹具侧面的小孔，从而保持光纤处于绷紧状态。为了控制光纤的张紧状态，可以在其右端挂上砝码，并根据实际加工需要，合理选择砝码重量。砂轮固定在一个三维位移台上，通过移动三维位移台可以控制砂轮进行移动，砂轮上粘贴有砂纸，通过旋转砂轮就可以对光纤进行侧抛加工，另外，需要根据实际，合理选择砂纸粒度。三维位移台由计算机控制，抛磨时，通过控制三维位移台的位移量就可以控制侧抛深度以及侧抛区域长度。此外，还可以通过调节砂轮的转速来改变加工速度。在光纤的一面加工完成后还需要对其另外一面进行侧抛加工，这时仅需将光纤沿轴线翻转180°，将其反向缠绕在夹具上，然后再进行之前的加工步骤即可。

2.所述的双侧抛型塑料光纤SPR传感探头的侧抛深度为50～400μm，侧抛区域长度为5～30mm；所述的金属膜厚度为20～80nm。