CN114088664A - 一种spr光纤折射率传感器和制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SPR光纤折射率传感器和制备方法及应用，包括一段异质双悬挂芯光纤，异质双悬挂芯光纤包括一个空气孔、一根小悬挂纤芯、一根大悬挂纤芯和一个包层；小悬挂纤芯和大悬挂纤芯分别紧贴在空气孔的内壁上；异质双悬挂芯光纤上设置有包层经抛磨形成的第一抛磨区域；第一抛磨区域位于小悬挂纤芯一侧，且抛磨平面与两悬挂纤芯中心连线垂直；第一抛磨区域的抛磨平面上镀有金属薄膜作为第一传感通道；第一抛磨区域所处光纤段的空气孔中填充有液体，形成第一液柱。本发明可对传感通道进行独立温度补偿，实现单通道和双通道高精度液体折射率测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种SPR光纤折射率传感器和制备方法及应用，特别是一种温度补偿型SPR光纤折射率传感器和制备方法及应用。
背景技术
光纤SPR折射率传感器由于灵敏度高、结构紧凑、集成度高、制备成本低廉等优势，在生化分析、食品检测、环境检测、医学检测等领域表现出巨大的应用潜力。目前，普通的光纤SPR折射率传感器已经在上述领域得以应用。但是，光纤SPR折射率传感器在应用中仍然面临两大主要问题：1、检测效率低；2、测量精度不够。为了解决检测效率低的问题，大量的多通道光纤SPR传感器被提出，通过多个通道同时进行测量，有效提高了检测效率。为了提高测量精度，温度补偿结构被集成到光纤SPR折射率传感器中，用以排除温度干扰，提高了光纤SPR折射率传感器的测量精度。光纤干涉仪是应用最广泛的SPR折射率传感器温度补偿结构，其不能波长复用的特点导致现有多通道光纤SPR传感器不能实现对每个测量通道进行独立温度补偿，使得多通道光纤SPR传感器的测量精度受限。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种温度补偿型SPR光纤折射率传感器和制备方法及应用，通过在异质双悬挂芯光纤空气孔中填充液体构建定向耦合器的方法实现了对SPR折射率传感的温度补偿，并利用定向耦合器可波长复用的特点实现对每个测量通道进行独立温度补偿。
为解决上述技术问题，本发明的一种SPR光纤折射率传感器，包括一段异质双悬挂芯光纤，异质双悬挂芯光纤包括一个空气孔、一根小悬挂纤芯、一根大悬挂纤芯和一个包层；小悬挂纤芯和大悬挂纤芯分别紧贴在空气孔的内壁上；异质双悬挂芯光纤上设置有包层经抛磨形成的第一抛磨区域；第一抛磨区域位于小悬挂纤芯一侧，且抛磨平面与两悬挂纤芯中心连线垂直；第一抛磨区域的抛磨平面上镀有金属薄膜作为第一传感通道；第一抛磨区域所处光纤段的空气孔中填充有液体，形成第一液柱。
进一步的，异质双悬挂芯光纤上还设置有包层经抛磨形成的第二抛磨区域，第一抛磨区域和第二抛磨区域不相连；第二抛磨区域位于小悬挂纤芯一侧，且抛磨平面与两悬挂纤芯中心连线垂直；第二抛磨区域的抛磨平面上镀有金属薄膜作为第二传感通道，两种金属薄膜是不同材料；第二抛磨区域所处光纤段的空气孔中填充有与第一液柱液体折射率不同的液体，形成第二液柱。
进一步的，传感器出射光谱中具有由SPR效应和共振耦合效应产生的不重叠的共振峰。
进一步的，小悬挂纤芯的直径范围为8.5至10.0μm，小悬挂纤芯与包层折射率差的范围为0.0045至0.0055，大悬挂纤的直径范围为11.5至13.0μm，大悬挂纤芯与包层折射率差为0.006至0.008，小悬挂纤芯和大悬挂纤芯之间的边缘间距范围为5至8μm。
进一步的，在液柱处，小悬挂纤芯中的基模和大悬挂纤芯中的LP11模在某一波长下满足相位匹配条件，发生共振耦合，形成定向耦合器，共振耦合产生的共振峰位于不同波段。
进一步的，当只具备第一传感通道时，空气孔中填充液体折射率为1.444；或者，当具备第一传感通道和第二次传感通道时，空气孔中填充液体折射率分别为1.444和1.450。
进一步的，当抛磨区域外部折射率改变时，传感器出射光谱中SPR共振峰和共振耦合峰均发生漂移；当抛磨区域所处温度发生改变时，传感器出射光谱中SPR共振峰和共振耦合峰均发生漂移。
上述温度补偿型SPR光纤折射率传感器的制备方法，包括以下步骤：
当所述传感器只具备第一传感通道时：
步骤1：利用光纤侧抛机在异质双悬挂芯光纤上制备第一抛磨区域，在显微镜下调整小悬挂纤芯和大悬挂纤芯的方位，确保抛磨平面在悬挂纤芯一侧，且抛磨平面与小悬挂纤芯和大悬挂纤芯中心连线垂直；
步骤2：利用CMOS相机测定抛磨平面与小悬挂纤芯边缘间距，确保抛磨平面与小悬挂纤芯边缘间距满足设定的距离要求；
步骤3：利用磁控溅射镀膜仪在第一抛磨区域的抛磨平面镀制金属膜；
步骤4：在镀膜后的异质双悬挂芯光纤两端分别熔接一段单模光纤，单模光纤纤芯与异质双悬挂芯光纤的小悬挂纤芯正对；
步骤5：利用飞秒激光在异质双悬挂芯光纤的侧壁上制备两个微米级的微孔，使空气孔与外界联通，形成微流通道；
步骤6：利用两台微流注射泵向空气孔中交替注入液体和空气，形成第一液柱；液柱定位于抛磨区域处，之后将两个微孔用紫外胶密封，完成传感器制备；
或者
当所述传感器具备第一传感通道和第二传感通道时：
步骤1：利用光纤侧抛机在异质双悬挂芯光纤上制备第一抛磨区域和第二抛磨区域(7)，在显微镜下调整小悬挂纤芯和大悬挂纤芯的方位，确保抛磨平面在悬挂纤芯一侧，且抛磨平面与小悬挂纤芯和大悬挂纤芯中心连线垂直；
步骤2：利用CMOS相机测定抛磨平面与小悬挂纤芯边缘间距，确保抛磨平面与小悬挂纤芯边缘间距满足设定的距离要求；
步骤3：利用磁控溅射镀膜仪在第一抛磨区域和第二抛磨区域的抛磨平面镀制不同材质的金属膜；
步骤4：在镀膜后的异质双悬挂芯光纤两端分别熔接一段单模光纤，单模光纤纤芯与异质双悬挂芯光纤的小悬挂纤芯正对；
步骤5：利用飞秒激光在异质双悬挂芯光纤的侧壁上制备两个微米级的微孔，使空气孔与外界联通，形成微流通道；
步骤6：利用两台微流注射泵向空气孔中交替注入液体和空气，形成第一液柱和第二液柱，液柱定位于抛磨区域处，之后将两个微孔用紫外胶密封，完成传感器制备。
上述温度补偿型SPR光纤折射率传感器的应用具体为：
当传感器只具备第一传感通道时：
将宽谱光源与异质双悬挂芯光纤一端熔接的单模光纤连接，并将异质双悬挂芯光纤另一端熔接的单模光纤接入光谱分析仪；
将传感器放入恒温实验箱，保持温度恒定，利用不同折射率的溶液分别标定第一传感通道的SPR共振峰和共振耦合峰的折射率传感特性，测得SPR共振峰和共振耦合峰的折射率灵敏度分别为
和
然后保持折射率匹配液不变，标定传感器的温度传感特性，测得第一传感通道的SPR共振峰和共振耦合峰的温度灵敏度分别为
和
利用矩阵法实现温度补偿：
第一传感通道测得的温度变化量ΔT和折射率变化量ΔR表示为：
其中
ΔλSPR1与ΔλResonance1分别为SPR共振峰与共振耦合峰在测量时的波长偏移量。
或者
当传感器具备第一传感通道和第二传感通道时：
将宽谱光源与异质双悬挂芯光纤一端熔接的单模光纤连接，并将异质双悬挂芯光纤另一端熔接的单模光纤接入光谱分析仪；
将传感器放入恒温实验箱，保持温度恒定，利用不同折射率的溶液分别标定第一传感通道和第二传感通道的SPR共振峰和共振耦合峰的折射率传感特性，测得第一传感通道SPR共振峰和共振耦合峰的折射率灵敏度分别为
和
测得第二传感通道SPR共振峰和共振耦合峰的折射率灵敏度分别为
和
然后保持折射率匹配液不变，标定传感器的温度传感特性，测得第一传感通道的SPR共振峰和共振耦合峰的温度灵敏度分别为
和
测得第二传感通道的SPR共振峰和共振耦合峰的温度灵敏度分别为
和
利用矩阵法实现温度补偿：
第一传感通道测得的温度变化量ΔT和折射率变化量ΔR表示为：
其中
ΔλSPR1与ΔλResonance1分别为第一传感通道的SPR共振峰与共振耦合峰在测量时的波长偏移量；
第二传感通道测得的温度变化量ΔT和折射率变化量ΔR表示为：
其中
ΔλSPR2与ΔλResonance2分别为第二传感通道的SPR共振峰与共振耦合峰在测量时的波长偏移量。
本发明的有益效果：本发明提出利用异质双悬挂芯光纤实现一种温度补偿型SPR光纤折射率传感器，利用光纤侧抛技术在异质双悬挂芯光纤轴向构建抛磨区域并镀制金属膜激发SPR效应形成测量通道。通过向抛磨区域的空气孔填充液体形成定向耦合器用于测量抛磨区域的温度，依靠矩阵法实现对折射率测量的温度补偿。并且，由于定向耦合器共振峰受空气孔中填充液体折射率调控，可以串联复用，因此可以构成双通道SPR光纤折射率传感器。通过调控两个通道的镀膜材料、镀膜厚度和填充液体折射率，可实现透射光谱中SPR共振峰和定向耦合器共振耦合峰的有效分离，进而依靠矩阵法实现对两个测量通道的独立温度补偿，排除温度变化对折射率测量结果的干扰，实现高效、高精度的折射率测量。
本发明的优势表现为通过在异质双悬挂芯光纤空气孔中填充液体构建定向耦合器的方法实现了对SPR折射率传感的温度补偿。并利用定向耦合器可波长复用的特点，通过串联两个所提出传感单元可构建温度补偿型双通道SPR光纤折射率传感器。该传感器可对每个测量通道进行独立的温度补偿，克服了利用干涉仪结构进行温度补偿的SPR折射率传感器不能串联复用的缺点和现有双通道光纤SPR折射率传感器不能对每个测量通道进行独立温度补偿的缺点，提高了双通道光纤SPR折射率传感器的测量精度。
附图说明
图1是温度补偿型单通道SPR光纤折射率传感器结构示意图。
图2是温度补偿型双通道SPR光纤折射率传感器结构示意图。
图3是传感器抛磨区域横截面示意图。
图4是计算得到的传感器抛磨区域两纤芯模式耦合结果。
图5(a)是金膜厚度对异质双悬挂芯光纤小悬挂纤芯中LP01模限制损耗的影响。
图5(b)是银膜厚度对异质双悬挂芯光纤小悬挂纤芯中LP01模限制损耗的影响。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
结合图1和图2，一种温度补偿SPR光纤折射率传感器，主体为一段异质双悬挂芯光纤1，异质双悬挂芯光纤1有一个中心空气孔2、小悬挂纤芯3与大悬挂纤芯4和一个环形包层5构成。中心空气孔的直径范围为25～31μm。小悬挂纤芯3与大悬挂纤芯4分别悬挂于中心空气孔2两侧内壁。小悬挂纤芯3的直径和与包层折射率差的范围分别为8.5～10.0μm和0.0045～0.0055。大悬挂纤芯4的直径和与包层折射率差的范围分别为11.5～13.0μm和0.006～0.008。小悬挂纤芯3和大悬挂纤芯4之间的边缘间距的范围为5～8μm。
当传感器只具备一个传感通道时：
该传感器是利用异质双悬挂芯光纤较小的悬挂纤芯，在抛磨区域6处与金属薄膜8发生SPR共振耦合形成传感通道。然后液柱10为媒介，使两个悬挂纤芯在传感通道处形成定向耦合器，对传感通道的温度进行测量。利用SPR效应和共振耦合效应对折射率和温度敏感性不同的原理对传感通道进行温度补偿，实现高精度道折射率测量。
异质双悬挂芯光纤1上有一个经抛磨形成的抛磨区域6，抛磨区域6的平面位于小悬挂纤芯3一侧，抛磨区域6的平面上镀有金属薄膜8作为传感器的传感通道，抛磨区域6对应的中心空气孔2中填充有液体，形成液柱10。液柱10为折射率为1.444液体时，在液柱10处，小悬挂纤芯3中的基模和大悬挂纤芯4中的LP11模能够在1.2～1.6μm波长范围中的某一波长下满足相位匹配条件，发生共振耦合，形成定向耦合器。小悬挂纤芯3中基模与大悬挂纤芯4中的LP11模满足相位匹配条件的波长受中心空气孔中填充液体的折射率调控。相位匹配波长确定的方法是在异质双悬挂芯光纤参数和液柱折射率确定后，利用有限元法计算该光纤小悬挂纤芯中基模和大悬挂纤芯中LP11模的色散曲线，两色散曲线交点对应的波长就是相位匹配波长。传感器出射光谱中具有2个互不重叠的共振峰，由抛磨区域6的SPR效应和共振耦合效应产生。
在恒温条件下，金属薄膜8外部折射率改变会导致两个金属薄膜的表面等离子体波的传播常数改变，同时也会导致小悬挂纤芯3中基模的传播常数改变，进而导致传感器出射光谱中1个SPR共振峰和1个共振耦合峰均发生漂移。在恒定折射率条件下，抛磨区域6处温度发生改变会导致抛磨区域内填充的液柱的折射率发生改变，进而改变小悬挂纤芯3中基模的传播常数，引起传感器出射光谱中1个SPR共振峰和1个共振耦合峰均发生漂移。
在恒温条件下，对温度补偿型SPR光纤折射率传感器透射光谱中SPR共振峰和共振耦合峰的折射率传感特性进行标定。而后在恒定折射率条件下，对所述的温度补偿型SPR光纤折射率传感器透射光谱中SPR共振峰和共振耦合峰的温度传感特性进行标定。SPR共振峰和共振耦合峰的折射率响应和温度响应不同且均已标定，利用矩阵法可对传感通道进行独立温度补偿，排除温度变化对折射率测量的干扰，实现折射率高精度测量。
当传感器具备两个传感通道时：
通过在一根异质双悬挂芯光纤上串联两个上述传感单元构成温度补偿型双通道SPR光纤折射率传感器。在一根异质双悬挂芯光纤1上制备两个分离一段距离的抛磨区域6和抛磨区域7，在两个抛磨区域处镀制不同金属薄膜8和金属薄膜9，在不同波段发生SPR共振耦合，形成两个传感通道。然后以不同折射率的液柱10和液柱11为媒介，使两个悬挂纤芯在两个传感通道处形成定向耦合器，对传感通道的温度进行测量。利用每个传感通道SPR效应和共振耦合效应对折射率和温度敏感性不同的原理，对两个传感通道进行独立温度补偿，实现高精度双通道折射率测量。
异质双悬挂芯光纤1上有两个经抛磨形成的分离一定间距的抛磨区域6和抛磨区域7。抛磨区域的平面均位于悬挂纤芯3一侧，抛磨区域的平面上镀有金属薄膜作为传感器的传感通道，两个抛磨区域的平面上镀有的金属薄膜8和金属薄膜9采用不同材质，使得两个传感通道的SPR共振峰可以有效分离。抛磨区域对应的中心空气孔中填充有液体，形成液柱10和液柱11，液柱10和液柱11采用液体具有不同的折射率，使得两个传感通道的共振耦合峰可以有效分离。抛磨区域6和抛磨区域7的中心空气孔中填充折射率为1.444左右的两种液体后，在液柱10和液柱11处，小悬挂纤芯3中的基模和大悬挂纤芯4中的LP11模均能在1.2～1.6μm波长范围中的某一波长下满足相位匹配条件，发生共振耦合，形成定向耦合器，两个液柱处发生共振耦合的波长不同，两种液体的折射率不同，以确保两个区域内的共振耦合峰位于不同波段。小悬挂纤芯3中基模与大悬挂纤芯4中的LP11模满足相位匹配条件的波长受中心空气孔中填充液体的折射率调控。相位匹配波长确定的方法是在异质双悬挂芯光纤参数和液柱折射率确定后，利用有限元法计算该光纤小悬挂纤芯中基模和大悬挂纤芯中LP11模的色散曲线，两色散曲线交点对应的波长就是相位匹配波长。透射光谱中可以检测到4个互不重叠分离共振峰，分别是两个传感通道对应的SPR共振峰和共振耦合峰。
在恒温条件下，金属薄膜8和金属薄膜9外部折射率改变会导致两个金属薄膜的表面等离子体波的传播常数改变，同时也会导致小悬挂纤芯3中基模的传播常数改变，进而导致传感器出射光谱中两个SPR共振峰和两个共振耦合峰均发生漂移。在恒定折射率条件下，抛磨区域6和抛磨区域7处温度发生改变会导致两个抛磨区域内填充的液柱10和液柱11的折射率发生改变，进而改变小悬挂纤芯3中基模的传播常数，引起传感器出射光谱中两个SPR共振峰和两个共振耦合峰均发生漂移。
在恒温条件下，对温度补偿型双通道SPR光纤折射率传感器透射光谱中4个共振峰的折射率传感特性进行标定。而后在恒定折射率条件下，对温度补偿型双通道SPR光纤折射率传感器透射光谱中4个共振峰的温度传感特性进行标定。两个传感通道对应的SPR共振峰和共振耦合峰的折射率响应和温度响应不同且均已标定，利用矩阵法可对每个传感通道进行独立温度补偿，排除温度变化对折射率测量的干扰，实现折射率高精度测量。
两抛磨区域的平面到小悬挂纤芯边缘的距离可以相同，也可以不同。两抛磨区域平面上镀制的金属层8和金属层9的厚度可以相同也可以不同。
抛磨区域6的平面上镀的金属薄膜可以但不限于是金，抛磨区域7的平面上镀的金属薄膜可以但不限于是银，但两个金属薄膜的材料必须不同，以确保两个传感通道产生的SPR共振峰处于不同波段。
下面结合具体参数给出实施例。
实施例1
当传感器只具有一个传感通道时，用于实现温度补偿型单通道SPR光纤传感器。
结合图1，一种温度补偿型单通道SPR光纤折射率传感器，其主体为一段异质双悬挂芯光纤1。异质双悬挂芯光纤1上只有一个传感通道，即只有抛磨区域6。光纤直径为125μm，包括一个中心空气孔2，两个分别悬挂于中心空气孔2两侧内壁的悬挂纤芯3和4，以及一个环形包层。中心空气孔的直径为28μm。小悬挂纤芯3的直径和与包层折射率差分别为9μm和0.005。大悬挂纤芯4的直径和与包层折射率差分别为12.3μm和0.007。小悬挂纤芯3和大悬挂纤芯之间的边缘间距为6.35μm。利用光纤侧抛机在异质双悬挂芯光纤1上制备一个长度为2cm的抛磨区域。在显微镜下观察并调整异质双悬挂芯光纤两悬挂纤芯的方位，确保抛磨区域的抛磨平面在小悬挂纤芯3一侧，且抛磨平面与两悬挂纤芯中心连线垂直。利用CMOS相机测定抛磨平面与小悬挂纤芯3边缘间距，确保抛磨平面与小悬挂纤芯3边缘间距都是1μm。抛磨区域的横截面示意图如图3所示。然后，利用磁控溅射镀膜仪在抛磨平面上镀制厚度为50μm的金膜。结合图5(a)和图5(b)，在此膜厚下，外界折射率为1.38时，传感器的SPR共振峰中心波长约为0.68μm。在镀膜后的异质双悬挂芯光纤两端分别熔接一段单模光纤，确保单模光纤纤芯与异质双悬挂芯光纤的小悬挂纤芯3正对。再利用飞秒激光在异质双悬挂芯光纤两端焊点附近的中心空气孔2侧壁上制备两个直径约为20μm的微孔，将中心空气孔2与外界联通，形成微流通道。利用两台微流注射泵向异质双悬挂芯光纤中心空气孔2中交替注入折射率匹配液和空气，形成液柱10并定位于抛磨区域处。折射率液柱的折射率为1.444。最后将两个微孔用紫外胶密封，完成传感器制备。
利用恒温实验箱对传感器进行标定。将宽谱光源与传感器一端的单模光纤连接，并将传感器另一端单模光纤接入光谱分析仪。首先将传感器放入恒温实验箱，保持温度恒定，利用不同折射率的溶液标定传感器的SPR共振峰和共振耦合峰的折射率传感特性，测得SPR共振峰和共振耦合峰的折射率灵敏度分别为
和
然后保持折射率匹配液不变，标定传感器的温度传感特性。由于折射率匹配液的热光系数已知，可以得到不同温度下折射率匹配液的实际折射率值，结合各共振峰的折射率特性，可以测得传感通道1的SPR共振峰和共振耦合峰的温度灵敏度分别为
和
则该温度补偿型单通道SPR光纤折射率传感器可利用矩阵法实现温度补偿。该传感器测得的温度变化量(ΔT)和折射率变化量(ΔR)可表示为
其中
与
分别为SPR共振峰对温度与折射率的灵敏度，
与
分别为共振耦合峰对温度与折射率的灵敏度。ΔλSPR1与ΔλResonance1分别为SPR共振峰与共振耦合峰在测量时的波长偏移量。
实施例2
当传感器具有两个传感通道时，用于实现温度补偿型双通道SPR光纤传感器。
结合图2，一种温度补偿型双通道SPR光纤折射率传感器，其主体为一段异质双悬挂芯光纤1。光纤直径为125μm，包括一个中心空气孔2，两个分别悬挂于中心空气孔2两侧内壁的悬挂纤芯3和4，以及一个环形包层。中心空气孔的直径为28μm。小悬挂纤芯3的直径和与包层折射率差分别为9μm和0.005。大悬挂纤芯4的直径和与包层折射率差分别为12.3μm和0.007。所述的小悬挂纤芯3和大悬挂纤芯4之间的边缘间距为6.35μm。首先，利用光纤侧抛机在异质双悬挂芯光纤1上制备两个长度为2cm，间距为1cm的抛磨区域。在显微镜下观察并调整异质双悬挂芯光纤两悬挂纤芯的方位，确保两个抛磨区域的抛磨平面在小悬挂纤芯3一侧，且抛磨平面与两悬挂纤芯中心连线垂直。利用CMOS相机测定抛磨平面与小悬挂纤芯3边缘间距，确保两个抛磨区域的抛磨平面与小悬挂纤芯3边缘间距都是1μm。抛磨区域的横截面示意图如图3所示。然后，利用磁控溅射镀膜仪分别在两个抛磨区域抛磨平面上镀制金膜和银膜，金膜厚度为50μm，银膜厚度为30μm。结合图5(a)和图5(b)，在此膜厚下，外界折射率为1.38时，金膜产生的SPR共振峰中心波长约为0.68μm，银膜产生的SPR共振峰中心波长约为0.54μm。在镀膜后的异质双悬挂芯光纤两端分别熔接一段单模光纤，确保单模光纤纤芯与异质双悬挂芯光纤的小悬挂纤芯3正对。最后，利用飞秒激光在异质双悬挂芯两端焊点附近的中心空气孔2侧壁上制备两个直径约为20μm的微孔，将中心空气孔2与外界联通，形成微流通道。利用两台微流注射泵向异质双悬挂芯光纤中心空气孔2中交替注入折射率匹配液和空气，形成液柱10和11，并定位于两个抛磨区域处。两个折射率液柱的折射率分别为1.444和1.450。之后将两个微孔用紫外胶密封，完成传感器制备。
利用恒温实验箱对传感器进行标定。将宽谱光源与传感器一端的单模光纤连接，并将传感器另一端单模光纤接入光谱分析仪。首先将传感器放入恒温实验箱，保持温度恒定，利用不同折射率的溶液标定传感器的传感通道1对应的SPR共振峰和共振耦合峰的折射率传感特性，测得SPR共振峰和共振耦合峰的折射率灵敏度分别为
和
同时标定传感通道2对应的SPR共振峰和共振耦合峰的折射率传感特性，测得SPR共振峰和共振耦合峰的折射率灵敏度分别为
和
然后保持折射率匹配液不变，标定传感器的温度传感特性。由于折射率匹配液的热光系数已知，可以得到不同温度下折射率匹配液的实际折射率值，结合各共振峰的折射率特性，可以测得传感通道1的SPR共振峰和共振耦合峰的温度灵敏度分别为
和
测得传感通道2的SPR共振峰和共振耦合峰的温度灵敏度分别为
和
则该温度补偿型双通道SPR光纤折射率传感器的传感通道1可利用矩阵法实现温度补偿。该传感器传感通道1测得的温度变化量(ΔT)和折射率变化量(ΔH)可表示为
其中
与
分别为传感通道1的SPR共振峰对温度与折射率的灵敏度，
与
分别为传感通道1的共振耦合峰对温度与折射率的灵敏度。ΔλSPR1与ΔλResonance1分别为传感通道1的SPR共振峰与共振耦合峰在测量时的波长偏移量。同时，该温度补偿型双通道SPR光纤折射率传感器的传感通道2可利用矩阵法实现温度补偿。该传感器传感通道2测得的温度变化量(ΔT)和折射率变化量(ΔR)可表示为
其中
与
分别为传感通道2的SPR共振峰对温度与折射率的灵敏度，
与
分别为传感通道2的共振耦合峰对温度与折射率的灵敏度。ΔλSPR2与ΔλResonance2分别为传感通道2的SPR共振峰与共振耦合峰在测量时的波长偏移量。
Claims (9)
1.一种SPR光纤折射率传感器，其特征在于：包括一段异质双悬挂芯光纤(1)，所述异质双悬挂芯光纤(1)包括一个空气孔(2)、一根小悬挂纤芯(3)、一根大悬挂纤芯(4)和一个包层(5)；小悬挂纤芯(3)和大悬挂纤芯(4)分别紧贴在空气孔(2)的内壁上；所述异质双悬挂芯光纤(1)上设置有包层经抛磨形成的第一抛磨区域(6)；第一抛磨区域(6)位于小悬挂纤芯(3)一侧，且抛磨平面与两悬挂纤芯中心连线垂直；第一抛磨区域(6)的抛磨平面上镀有金属薄膜(8)作为第一传感通道；第一抛磨区域(6)所处光纤段的空气孔中填充有液体，形成第一液柱(10)。
2.根据权利要求1所述的一种SPR光纤折射率传感器，其特征在于：异质双悬挂芯光纤(1)上还设置有包层经抛磨形成的第二抛磨区域(7)，第一抛磨区域(6)和第二抛磨区域(7)不相连；第二抛磨区域(7)位于小悬挂纤芯(3)一侧，且抛磨平面与两悬挂纤芯中心连线垂直；第二抛磨区域(7)的抛磨平面上镀有金属薄膜(9)作为第二传感通道，两种金属薄膜(8,9)是不同材料；第二抛磨区域(7)所处光纤段的空气孔中填充有与第一液柱(10)液体折射率不同的液体，形成第二液柱(11)。
3.根据权利要求1或2所述的一种SPR光纤折射率传感器，其特征在于：所述传感器出射光谱中具有由SPR效应和共振耦合效应产生的不重叠的共振峰。
4.根据权利要求1或2所述的一种SPR光纤折射率传感器，其特征在于：小悬挂纤芯(3)的直径范围为8.5至10.0μm，小悬挂纤芯(3)与包层(5)折射率差的范围为0.0045至0.0055，大悬挂纤芯(4)的直径范围为11.5至13.0μm，大悬挂纤芯(4)与包层(5)折射率差为0.006至0.008，小悬挂纤芯(3)和大悬挂纤芯(4)之间的边缘间距范围为5至8μm。
5.根据权利要求1或2所述的一种SPR光纤折射率传感器，其特征在于：在液柱处，小悬挂纤芯(3)中的基模和大悬挂纤芯(4)中的LP11模在某一波长下满足相位匹配条件，发生共振耦合，形成定向耦合器，共振耦合产生的共振峰位于不同波段。
6.根据权利要求5所述的一种SPR光纤折射率传感器，其特征在于：
当只具备第一传感通道时，所述空气孔(2)中填充液体折射率为1.444；
或者
当具备第一传感通道和第二次传感通道时，所述空气孔(2)中填充液体折射率分别为1.444和1.450。
7.根据权利要求1或2所述的一种SPR光纤折射率传感器，其特征在于：当抛磨区域外部折射率改变时，传感器出射光谱中SPR共振峰和共振耦合峰均发生漂移；当抛磨区域所处温度发生改变时，传感器出射光谱中SPR共振峰和共振耦合峰均发生漂移。
8.一种权利要求1或2或3所述SPR光纤折射率传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
当所述传感器只具备第一传感通道时：
步骤1：利用光纤侧抛机在异质双悬挂芯光纤(1)上制备第一抛磨区域(6)，在显微镜下调整小悬挂纤芯(3)和大悬挂纤芯(4)的方位，确保抛磨平面在悬挂纤芯(3)一侧，且抛磨平面与小悬挂纤芯(3)和大悬挂纤芯(4)中心连线垂直；
步骤2：利用CMOS相机测定抛磨平面与小悬挂纤芯(3)边缘间距，确保抛磨平面与小悬挂纤芯(3)边缘间距满足设定的距离要求；
步骤3：利用磁控溅射镀膜仪在第一抛磨区域(6)的抛磨平面镀制金属膜；
步骤4：在镀膜后的异质双悬挂芯光纤(1)两端分别熔接一段单模光纤，单模光纤纤芯与异质双悬挂芯光纤的小悬挂纤芯(3)正对；
步骤5：利用飞秒激光在异质双悬挂芯光纤(1)的侧壁上制备两个微米级的微孔，使空气孔(2)与外界联通，形成微流通道；
步骤6：利用两台微流注射泵向空气孔(2)中交替注入液体和空气，形成第一液柱(10)；液柱定位于抛磨区域处，之后将两个微孔用紫外胶密封，完成传感器制备；
或者
当所述传感器具备第一传感通道和第二传感通道时：
步骤1：利用光纤侧抛机在异质双悬挂芯光纤(1)上制备第一抛磨区域(6)和第二抛磨区域(7)，在显微镜下调整小悬挂纤芯(3)和大悬挂纤芯(4)的方位，确保抛磨平面在悬挂纤芯(3)一侧，且抛磨平面与小悬挂纤芯(3)和大悬挂纤芯(4)中心连线垂直；
步骤2：利用CMOS相机测定抛磨平面与小悬挂纤芯(3)边缘间距，确保抛磨平面与小悬挂纤芯(3)边缘间距满足设定的距离要求；
步骤3：利用磁控溅射镀膜仪在第一抛磨区域(6)和第二抛磨区域(7)的抛磨平面镀制不同材质的金属膜；
步骤4：在镀膜后的异质双悬挂芯光纤(1)两端分别熔接一段单模光纤，单模光纤纤芯与异质双悬挂芯光纤的小悬挂纤芯(3)正对；
步骤5：利用飞秒激光在异质双悬挂芯光纤(1)的侧壁上制备两个微米级的微孔，使空气孔(2)与外界联通，形成微流通道；
步骤6：利用两台微流注射泵向空气孔(2)中交替注入液体和空气，形成第一液柱(10)和第二液柱(11)，液柱定位于抛磨区域处，之后将两个微孔用紫外胶密封，完成传感器制备。
9.一种权利要求1或2所述SPR光纤折射率传感器的应用，其特征在于：
当所述传感器只具备第一传感通道时：
将宽谱光源与异质双悬挂芯光纤(1)一端熔接的单模光纤连接，并将异质双悬挂芯光纤(1)另一端熔接的单模光纤接入光谱分析仪；
将传感器放入恒温实验箱，保持温度恒定，利用不同折射率的溶液分别标定第一传感通道的SPR共振峰和共振耦合峰的折射率传感特性，测得SPR共振峰和共振耦合峰的折射率灵敏度分别为
和
然后保持折射率匹配液不变，标定传感器的温度传感特性，测得第一传感通道的SPR共振峰和共振耦合峰的温度灵敏度分别为
和
利用矩阵法实现温度补偿：
第一传感通道测得的温度变化量ΔT和折射率变化量ΔR表示为：
其中
ΔλSPR1与ΔλResonance1分别为SPR共振峰与共振耦合峰在测量时的波长偏移量。
或者
当所述传感器具备第一传感通道和第二传感通道时：
将宽谱光源与异质双悬挂芯光纤(1)一端熔接的单模光纤连接，并将异质双悬挂芯光纤(1)另一端熔接的单模光纤接入光谱分析仪；
将传感器放入恒温实验箱，保持温度恒定，利用不同折射率的溶液分别标定第一传感通道和第二传感通道的SPR共振峰和共振耦合峰的折射率传感特性，测得第一传感通道SPR共振峰和共振耦合峰的折射率灵敏度分别为
和
测得第二传感通道SPR共振峰和共振耦合峰的折射率灵敏度分别为
和
然后保持折射率匹配液不变，标定传感器的温度传感特性，测得第一传感通道的SPR共振峰和共振耦合峰的温度灵敏度分别为
和
测得第二传感通道的SPR共振峰和共振耦合峰的温度灵敏度分别为
和
利用矩阵法实现温度补偿：
第一传感通道测得的温度变化量ΔT和折射率变化量ΔR表示为：
其中
ΔλSPR1与ΔλResonance1分别为第一传感通道的SPR共振峰与共振耦合峰在测量时的波长偏移量；
第二传感通道测得的温度变化量ΔT和折射率变化量ΔR表示为：
其中
ΔλSPR2与ΔλResonance2分别为第二传感通道的SPR共振峰与共振耦合峰在测量时的波长偏移量。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202111357826.XA CN114088664A (zh) | 2021-11-16 | 2021-11-16 | 一种spr光纤折射率传感器和制备方法及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202111357826.XA CN114088664A (zh) | 2021-11-16 | 2021-11-16 | 一种spr光纤折射率传感器和制备方法及应用 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN114088664A true CN114088664A (zh) | 2022-02-25 |
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