CN116222428A - 灵敏度可调的光纤spr曲率传感器及其制作使用方法 - Google Patents

灵敏度可调的光纤spr曲率传感器及其制作使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤传感领域，主要涉及灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器及制作方法；包括顺次设置的注光区、调制区、传感区、收光区，注光区为纵横排芯光纤，调制区及收光区为渐变折射率光纤，传感区为加工有平底凹槽的渐变折射率光纤，其中调制区，传感区，收光区位于同一根渐变折射率光纤上；光信号由注光区射入调制区的光纤纤芯中，经调制后纤芯中的光束传输轨迹近似余弦函数，有效的使纤芯中的传输光模式单一，光束到达凹槽，与覆盖在凹槽表面的金属膜接触发生SPR效应，同时调节凹槽的深度和注光纤芯，可改变SPR入射角，调整曲率传感灵敏度和线性度。本发明解决了目前光纤SPR曲率传感器灵敏度低，难以调节灵敏度、线性度、多通道及方向识别的问题。

Description

灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器及其制作使用方法
技术领域
本发明属于光纤传感器领域，具体涉及灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器及其制作使用方法。
背景技术
已提出的光纤SPR曲率传感器是阶跃折射率多模纤芯型或光纤包层型,在阶跃折射率多模光纤纤芯表面或光纤包层的表面镀制传感金属膜，光源光进入阶跃折射率多模光纤纤芯或光纤包层中，传输的多个高阶模式与金属膜接触发生SPR，接收光谱产生SPR共振谷；光纤弯曲时，传输光各个模式与金属膜夹角发生改变(但是各个模式与金膜初始夹角不一样，改变量大小也不一样)，SPR共振谷波长发生移动(各个模式移动量综合叠加导致)，共振波长移动量可解调出曲率值。有研究人员通过刻蚀阶跃折射率多模光纤，在纤芯上镀传感膜作为弯曲传感区构造光纤SPR曲率传感器，灵敏度为1.50nm/m-1(SU Y,WEI Y,ZHANG Y,et al.Surface-Plasmon-Resonance-Based Optical Fiber Curvature Sensor withTemperature Compensation by Means of Dual Modulation Method[J].Sensors(Basel),2018,18(8).)。还有在阶跃多模光纤的纤芯上侧表面镀制传感半膜，实现曲率及弯曲方向的检测(WEI Y,HU J,LIU C,et al.Fiber semi-film SPR curvature sensorwith the function of directional recognition[J].Results in Optics,2020,1.)，灵敏度为0.71nm/m-1。有研究人员还采用不对称结构的D型多模光纤，实现了光纤SPR多通道曲率传感和弯曲方向识别，(WEI Y,LIU C,LIU C,et al.Multichannel DirectionalRecognition SPR Curvature Sensor Based on D-Type Double-Clad Multimode Fiber[J].IEEE Sensors Journal,2022,22(22):21719-26.)灵敏度为0.61nm/m-1。有研究人员构造了异质芯结构的光纤SPR曲率传感器(LIU C,HU J,WEI Y,et al.Fiber cladding SPRbending sensor characterized by two parameters[J].Chinese Physics B,2020,29(12).)，波长灵敏度最高为0.76nm/m-1。有研究人员提出在单模光纤包层表面镀制传感膜，并利用弯曲将纤芯中的光耦合进光纤包层，实现光纤包层型SPR曲率传感(WEI Y,LIU C,LIU C,et al.Single-mode fiber curvature sensor based on SPR[J].Appl Opt,2022,61(15):4620-6.)，灵敏度最高为0.26nm/m-1。
已提出的光纤SPR曲率传感器是对阶跃折射率多模光纤纤芯或光纤包层全注光，传输光在阶跃折射率多模纤芯中或包层中传输，会激发不同模式的传输光，发生SPR的模式众多，不同模式的SPR入射角不一样，SPR共振谷波长也不同，而最终整体SPR共振谷是由各模式产生的共振谷叠加而成，导致共振谷较宽。光纤弯曲时各模式的传输光与传感膜接触的SPR入射角都发生改变，进而使共振谷对应的波长改变，但不同模式与传感膜接触的SPR入射角不同；弯曲时，对于不同模式，相同角度量改变，SPR共振谷移动量不同，SPR共振谷整体随弯曲移动是各模式SPR共振谷移动叠加的综合结果，使得目前光纤SPR曲率传感器灵敏度较低。同时，由于不同的SPR入射角具有不同的灵敏度，但只知道各传输模式与传感膜之间全反射角的变化趋势，不能将模式单一，也不能控制传输光与传感膜之间的全反射角，进而不能调节灵敏度。基于此，有必要开发一种曲率灵敏度高，并能调节曲率灵敏度的新型光纤SPR曲率传感器。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供传输光模式单一，灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器及其制作使用方法。
灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器，从左至右依次包括注光区，调制区，传感区，收光区，其中调制区，传感区，收光区位于同一根渐变折射率光纤上，注光区右端与调制区左端正对熔接。
所述注光区为纵横排芯光纤，一共有7根直径均为5μm的石英纤芯，本文纵横排芯光纤指多根石英纤芯并排，其截面呈L形排布，光纤轴心排布1根纤芯，纵轴向上方向排布3根纤芯，横轴向右方向排布3根纤芯，同一轴线上两个相邻石英纤芯间距为10μm，石英包层直径为125μm。所述调制区为渐变折射率光纤，纤芯直径为105μm，石英包层直径为125μm，数值孔径为0.3，长度为1000μm，为光在渐变折射率光纤中传输2/3个自聚焦效应周期的长度。所述传感区为加工有第一凹槽的渐变折射率多模光纤，第一凹槽为平底凹槽，凹槽的基底为渐变折射率光纤的石英纤芯，第一凹槽的长度为1000μm，深度为56μm，第一凹槽的张口方向为竖直朝上，第一凹槽表面镀有厚度为50nm的第一传感金属膜，第一传感金属膜表面有用光纤涂覆机涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致的250μm。所述收光区为渐变折射率光纤，其塑料涂覆层直径为250μm，长度大于0.5m。
灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的传感原理：光信号由注光区的单模光束射入调制区的光纤纤芯中，经调制后纤芯中的光束传输轨迹近似余弦函数，有效的使纤芯中的传输光模式单一，光束到达第一凹槽传感区，与覆盖在凹槽表面的金属膜接触发生表面等离子体共振(SPR)效应，然后继续向前传输，纤芯中的光束汇集于收光区，最终传送至光谱仪处理。当凹槽传感区发生弯曲时，会改变SPR入射角，进而使传感光谱上的SPR共振谷发生移动，构建弯曲量与SPR共振波长之间的关系，实现曲率传感。同时凹槽发生内凹弯曲SPR入射角增大，SPR共振谷向短波长移动；外凸弯曲时，SPR入射角减小，SPR共振谷向长波长移动，利用SPR共振谷的移动方向不同实现弯曲方向识别。
灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器，其灵敏度调节原理：一共有两种灵敏度调节方式，其中第一种灵敏度调节方式：所述第一凹槽的深度是可调的，深度调节范围为10-62.5μm，当注光区的注光位置固定(即余弦光束的传输轨迹不变)，凹槽深度逐渐加深时，经调制区调制后的余弦传输光束与凹槽表面传感膜接触发生的SPR入射角随之变大，此时弯曲凹槽传感区，曲率灵敏度变小，因此凹槽传感区的SPR入射角随凹槽深度的加深而增大，曲率灵敏度也随之减小；凹槽传感区的SPR入射角随凹槽深度的减小而减小，曲率灵敏度也随之增大。同时传感器的曲率线线性度随凹槽深度增大而减小，因此，设置不同深度凹槽，可以调节传感器灵敏度和线性度，
第二种灵敏度调节方式：当凹槽深度不变时，改变注光区的注光位置，对注光区纵横排芯光纤的不同纤芯注光，即改变光束传输余弦路径，当对注光区的偏心距离越大的纤芯通光时，余弦光束的振幅越大，进而与凹槽表面传感金膜接触发生的SPR入射角越小，弯曲凹槽时，获得的曲率灵敏度越大。因此，控制注光纤芯与光纤中心轴线的距离，可以控制SPR入射角，进而调节传感器的曲率灵敏度，且传感区的SPR入射角越小，对应的曲率传感灵敏度越大，而线性度越低，可以改变注光纤芯的位置调节传感器的线性度。也可以使注光纤芯的位置和凹槽的深度都发生改变，共同调节曲率灵敏度。
所述的灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1取一段1m长的渐变折射率多模光纤，剥除光纤中间长度为5cm的涂覆层，用酒精擦拭后，光纤夹持于三维微动台夹具上，使光纤保持水平，调节微动台使裸纤置于CO2激光束正下方，设置CO2激光器的参数，光纤加工后形成长度为1mm，深度为56μm的平底凹槽。
S2将刻蚀有凹槽的渐变折射率光纤放入光纤定长切割系统中，旋转螺旋微分头使切割刀在平面凹槽结构前1000μm处进行切割。
S3将定长切割完成后带有凹槽结构的渐变折射率光纤，放入保偏熔接机的光纤夹具中，并在显微镜下调整凹槽的朝向，使凹槽开口朝向竖直向上并固定，再放入保偏熔接机的右端。
S4将已切平的纵横排芯光纤放入保偏熔接机的光纤端面显微定位装置观测纵横排芯光纤端面，旋转光纤夹具使纵横排芯光纤两个轴面上的纤芯分别竖直向上和水平向左，并锁定光纤夹具，再将固定好的纵横排芯光纤及光纤夹具放入保偏熔接机的左端，最后与渐变折射率光纤调制区的左端正对熔接。
S5通过等离子溅射仪对凹槽区镀制50nm金膜，用光纤涂覆机光纤涂覆机涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致的250μm。
所述的灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的具体使用方法如下：
S1先用保偏熔接机的光纤端面显微定位装置观测纵横面排芯光纤左侧端面，旋转光纤夹具使纵横面排芯光纤两个轴面上的纤芯分别竖直向上和水平向右，并将光纤夹具锁定，再将固定好纵横面排芯光纤的光纤夹具一同放入三维微动台的右端。
S2将端面平整、直径为4μm的单模光纤放入三维微动台的左端，调制三维微动台使单模光纤的纤芯正对纵横面排芯光纤的中间芯。
S3然后将所述的凹槽传感区夹持于筒式显微镜正下方，转动夹具使平面凹槽槽口垂直向上，用固定于升降台上的光纤夹持棒夹持住光纤弯曲传感区，当控制升降台上移，实现凹槽传感区外凸弯曲，控制升降台上移，实现凹槽传感区内凹弯曲，实现不同方向弯曲。
S4控制三维微动台左侧的单模光纤向竖直方向移动或水平向右移动，每次移动量为10μm，对纵横面排芯光纤的不同纤芯注光，对不同的纤芯通光后，与凹槽平面产生的SPR入射角不同，则弯曲凹槽传感区具有不同的曲率灵敏度，越靠近外侧的纤芯通光，与凹槽平面产生的SPR入射角越小，则曲率灵敏度随偏芯的距离增大而增大。
作为优选方案，本申请同时提供一种灵敏度可调的光纤SPR双通道曲率传感器，其整体结构与前述的灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器基本相同，主要差异在于传感区包含第一传感区和第二传感区，具体来说，所述注光区为纵横排芯光纤，一共有7根直径均为5μm的石英纤芯，呈L形排布，光纤轴心排布1根纤芯，纵轴向上方向排布3根纤芯，横轴向右方向排布3根纤芯，同一轴线上两个相邻石英纤芯间距为10μm，石英包层直径为125μm。所述调制区为渐变折射率光纤，纤芯直径为105μm，石英包层直径为125μm，数值孔径为0.3，长度为1000μm，为光在渐变折射率光纤中传输2/3个自聚焦效应周期的长度。所述第一传感区为加工有第一凹槽的渐变折射率多模光纤，第一凹槽为平底凹槽，凹槽的基底为渐变折射率光纤的石英纤芯，第一凹槽的长度为1000μm，深度为56μm，第一凹槽的张口方向为竖直朝上，第一凹槽表面镀有厚度为50nm的第一传感金属膜，第一传感金属膜表面有用光纤涂覆机涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致的250μm；所述第二传感区为加工有第二凹槽的渐变折射率多模光纤，第二凹槽与第一凹槽的距离大于10cm，第二凹槽为平底凹槽，凹槽的基底为渐变折射率光纤的石英纤芯，第二凹槽的长度为1000μm，深度为56μm，第二凹槽的张口方向为竖直朝上，第二凹槽表面镀有厚度为50nm的第二传感金属膜，第二传感金属膜表面有用光纤涂覆机涂覆折射率为1.39的第二紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致的250μm。所述收光区为渐变折射率光纤，其塑料涂覆层直径为250μm，长度大于0.5m。
一种灵敏度可调的光纤SPR双通道曲率传感器，其双通道曲率传感原理：纵横排芯光纤的纵面上的单模光束射入调制区的光纤纤芯中，经调制后纤芯中的光束传输轨迹近似余弦函数，光束以一定的角度与第一凹槽传感区接触，与覆盖在第一凹槽表面的金属膜接触发生表面等离子体共振(SPR)效应，然后继续向前传输，到达第二凹槽，与覆盖在第二凹槽表面的金属膜接触发生表面等离子体共振(SPR)效应，最终纤芯中的光束汇集于收光区，传送至光谱仪处理。利用在第一凹槽和第二凹槽表面覆盖不同折射率的紫外固化胶(第一处凹槽覆盖折射率为1.33的紫外固化胶，第二处凹槽覆盖折射率为1.39的紫外固化胶)，在传感光谱上产生两个SPR共振谷，分别位于不同的波段，其中第一凹槽产生的SPR共振谷靠近短波长，第二凹槽产生的SPR共振谷靠近长波长。当两处凹槽弯曲时，对应的SPR共振谷发生偏移，根据不同共振谷的移动量解调出对应传感区的曲率值，实现双通道曲率测量。
作为优选方案，本申请同时提供一种灵敏度可调的光纤SPR二维曲率传感器，其整体结构与前述的灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器基本相同，主要差异在于传感区包含第一传感区和第二传感区；具体来说，所述注光区为纵横排芯光纤，一共有7根直径均为5μm的石英纤芯，呈L形排布，光纤轴心排布1根纤芯，纵轴向上方向排布3根纤芯，横轴向右方向排布3根纤芯，同一轴线上两个相邻石英纤芯间距为10μm，石英包层直径为125μm。所述调制区为渐变折射率光纤，纤芯直径为105μm，石英包层直径为125μm，数值孔径为0.3，长度为1000μm，为光在渐变折射率光纤中传输2/3个自聚焦效应周期的长度。所述第一传感区为加工有第一凹槽的渐变折射率多模光纤，第一凹槽为平底凹槽，凹槽的基底为渐变折射率光纤的石英纤芯，第一凹槽的长度为1000μm，深度为56μm，第一凹槽的张口方向为竖直朝上，第一凹槽表面镀有厚度为50nm的第一传感金属膜，第一传感金属膜表面有用光纤涂覆机涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致的250μm；所述第二传感区为加工有第二凹槽的渐变折射率多模光纤，第二凹槽与第一凹槽的水平距离为1000μm，第二凹槽为平底凹槽，凹槽的基底为渐变折射率光纤的石英纤芯，第二凹槽的长度为1000μm，深度为56μm，第二凹槽的张口方向为水平向前，第二凹槽表面镀有厚度为50nm的第二传感金属膜，第二传感金属膜表面有用光纤涂覆机涂覆折射率为1.39的第二紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致的250μm。所述收光区为渐变折射率光纤，其塑料涂覆层直径为250μm，长度大于0.5m。
灵敏度可调的光纤SPR二维曲率传感器，其二维曲率传感原理：同时给纵横排芯光纤纵面上和横面上的某一根单模纤芯通光，使注光区的两束单模光束同时射入调制区的光纤纤芯中，经调制后纤芯中的光束传输轨迹近似余弦函数，且两束余弦光传输路径相互垂直。纵面上的光束到达第一凹槽传感区，与覆盖在第一凹槽表面的金属膜接触发生表面等离子体共振(SPR)效应；横面上的光束到达第二凹槽传感区，与覆盖在第二凹槽表面的金属膜接触发生表面等离子体共振(SPR)效应，然后继续向前传输，纤芯中的光束汇集于收光区，最终传送至光谱仪处理。由于两处凹槽传感区外界覆盖的折射率环境不同，传感光谱上对应两个不同波段的SPR共振谷(其中凹槽外界覆盖折射率低的紫外固化胶，SPR共振波长靠近短波长；凹槽外界覆盖折射率高的紫外固化胶，SPR共振波长靠近长波长)，当光纤发生纵向弯曲时，第一凹槽发生外凸和内凹，当光纤发生横向弯曲时，第二凹槽发生外凸和内凹，传感光谱上两处SPR共振谷分别发生移动，检测两处SPR共振谷的移动量和移动方向对不同维向上的曲率进行检测，及判断弯曲方向，实现二维方向的曲率传感。
本发明的有益效果在于：
1、利用渐变折射率光纤的自聚焦效应，对渐变折射率光纤入射端面的非中心轴处单模注光，使得在传感渐变折射率光纤纤芯中的光束以余弦路径传输，传输模式单一，形成的共振谷半高宽小，因此光纤弯曲时，单一光束传输模式的SPR入射角一致，使整体的共振谷移动明显，提高光纤SPR曲率传感器灵敏度。
2、利用单模光纤对纵横面排芯光纤不同偏心距离的纤芯通光，可以改变传感渐变折射率光纤纤芯中余弦传输光束的振幅，进而改变凹槽传感区处的SPR入射角，令光纤弯曲时会有不同的曲率灵敏度，进而调节传感器的曲率灵敏度和线性度。
3、通过改变传感渐变折射率光纤上凹槽传感区的深度，进而改变凹槽传感区处的SPR入射角，令光纤弯曲时会有不同的曲率灵敏度，实现曲率灵敏度和检测范围的调节。
4、通过在渐变折射率光纤轴向上不同位置，且同一方向刻蚀两个凹槽传感区，利用对SPR入射角的控制和对凹槽传感区施加不同外界折射率环境，调节共振波长工作范围，实现波分复用双通道的光纤SPR曲率传感器。
5、在渐变折射率光纤相互垂直的两个轴面上，且距离相近的区域分别刻蚀凹槽传感区，再控制凹槽传感区的SPR入射角和对凹槽传感区施加不同外界折射率环境，调节共振波长工作范围，实现波分复用二维曲率传感的光纤SPR曲率传感器。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器结构示意图；
图2为灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器不同部位的剖面图，其中图(a)为注光排四芯光纤剖面图对应于AA’平面；图(b)为传感渐变多模光纤剖面图对应于BB’平面；图(c)为传感渐变多模光纤凹槽表面镀膜剖面图对应于CC’平面；
图3为测试灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器装置示意图；
图4为本发明实施例的注光排四芯光纤不同偏心纤芯通光SPR曲率传感器探针示意图；
图5为本发明实施例的传感渐变多模光纤不同凹槽深度SPR曲率传感器探针示意图；
图6为测试灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的数据图；
图7为一种灵敏度可调的光纤SPR双通道曲率传感器结构示意图；
图8为灵敏度可调的光纤SPR二维曲率传感器探针示意图；
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1和图2所示，本实施例涉及灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器，整体组成包括：注光区1，调制区2，传感区3，收光区4；注光区1由纵横面排芯光纤组成，一共有7根直径均为5μm的石英纤芯1-1，呈L形排布，光纤轴心排布1根石英纤芯1-1，纵轴向上方向排布3根纤芯，横轴向右方向排布3根纤芯，同一轴线上两个相邻石英纤芯间距为10μm，石英包层1-4直径为125μm，塑料涂覆层1-5直径为250μm。调制区为渐变折射率光纤，石英纤芯2-1直径为105μm，数值孔径为0.3，石英包层2-2直径为125μm，长度为1000μm。传感区为加工有第一凹槽3-1的渐变折射率多模光纤，第一凹槽为平底凹槽，凹槽的基底为渐变折射率光纤的石英纤芯，第一凹槽的长度为1000μm，深度为56μm，第一凹槽的张口方向为竖直朝上，第一凹槽表面镀有厚度为50nm的第一传感金属膜3-2，第一传感金属膜表面有用光纤涂覆机涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶3-3。所述收光区为渐变折射率光纤，其塑料涂覆层4-2直径为250μm，长度大于0.5m。
如图3所示，灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的测试装置组成包括：宽谱光源9，三维微动台10，升降台11，筒式显微镜12，光谱仪13。将端面平整、直径为4μm的单模光纤放入三维微动台的左端，调制三维微动台使单模光纤的纤芯正对纵横排芯光纤的中间芯。然后将所述的凹槽传感区夹持于筒式显微镜正下方，转动夹具使平面凹槽槽口垂直向上，用固定于升降台上的光纤夹持棒夹持住光纤弯曲传感区。单模光纤的左端与宽谱光源相连，渐变折射率光纤收光区的右端与光谱仪相连，然后控制升降台，实现凹槽传感区外凸弯曲和内凹弯曲。
灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的具体制作步骤如下：
S1取一段1m长的渐变折射率多模光纤，剥除光纤中间长度为5cm的涂覆层，用酒精擦拭后，光纤夹持于三维微动台夹具上，使光纤保持水平，调节微动台使裸纤置于CO2激光束正下方，设置CO2激光器的参数(加工参数设置为加工速度800毫米/秒，功率50％，频率5KHz)，光纤加工后形成长度为1mm，深度为56μm的平底凹槽。
S2将刻蚀有凹槽的渐变折射率光纤放入光纤定长切割系统中，旋转螺旋微分头使切割刀在平面凹槽结构前1000μm处进行切割。
S3将定长切割完成后带有凹槽结构的渐变折射率光纤，放入保偏熔接机的光纤夹具中，并在显微镜下调整凹槽的朝向，使凹槽开口朝向竖直向上并固定，再放入保偏熔接机的右端。
S4将已切平的纵横排芯光纤放入保偏熔接机的光纤端面显微定位装置观测纵横排芯光纤端面，旋转光纤夹具使纵横排芯光纤两个轴面上的纤芯分别竖直向上和水平向左，并锁定光纤夹具，再将固定好的纵横排芯光纤及光纤夹具放入保偏熔接机的左端，最后与渐变折射率光纤调制区的左端正对熔接。
S5通过等离子溅射仪对凹槽区镀制50nm金膜，用光纤涂覆机光纤涂覆机涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致的250μm。
灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的具体使用步骤如下：
S1用保偏熔接机的光纤端面显微定位装置观测纵横排芯光纤左侧端面，旋转光纤夹具使纵横排芯光纤两个轴面上的纤芯分别竖直向上和水平向右，并将光纤夹具锁定，再将固定好纵横排芯光纤的光纤夹具一同放入三维微动台10的右端。
S2将端面平整、直径为4μm的单模光纤放入三维微动台10的左端，调制三维微动台使单模光纤的纤芯正对纵横排芯光纤的中间芯。
S3然后将所述的凹槽传感区夹持于筒式显微镜12正下方，转动夹具使平面凹槽槽口垂直向上，用固定于升降台11上的光纤夹持棒夹持住光纤弯曲传感区。
S4单模光纤的左端与宽谱光源9相连，渐变折射率光纤收光区的右端与光谱仪13相连，然后控制升降台，实现凹槽传感区外凸弯曲和内凹弯曲，对应传感光谱上的SPR共振谷向短波长移动和向长波长移动，根据波长移动量与曲率的关系解调出曲率值。
S5光纤SPR曲率传感器灵敏度及线性度调节的方法：控制三维微动台左侧的单模光纤向竖直方向移动或水平向右移动，每次移动量为10μm，对纵横排芯光纤的不同纤芯注光，如图4所示，对不同的纤芯通光后，与凹槽平面产生的SPR入射角不同，则弯曲凹槽传感区具有不同的曲率灵敏度，越靠近外侧的纤芯通光，与凹槽平面产生的SPR入射角越小，则曲率灵敏度随偏芯的距离增大而增大，同时传感器的线性度随偏芯的距离增大变小，可以通过选用更大偏心距离的偏心光纤制作传感探针，以提升曲率灵敏度，若选用更小偏心距离的偏心光纤制作传感探针，可以提高曲率灵敏度的线性度。如图5所示，与不同深度的凹槽平面产生的SPR入射角不同，则弯曲凹槽传感区具有不同的曲率灵敏度，深度越大的凹槽，产生的SPR入射角越小，曲率灵敏度越大。
如图6所示，为本发明专利提出灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的实际测试曲线，对纵横排芯光纤纵面上偏心距离为29μm的纤芯通光，其中图(a)为凹槽传感区向-X方向(即凹槽向内凹方向弯曲)弯曲时的数据，由数据可以得出，SPR共振波长随曲率的增大向短波长移动，在曲率范围为0-14.06m-1，波长移动范围为736.5-663.7nm，平均曲率灵敏度为5.18nm/m-1；图(b)为凹槽传感区向X方向(即凹槽向外凸方向弯曲)弯曲时的数据，由数据可以得出，SPR共振波长随曲率的增大向长波长移动，在曲率范围为0-14.06m-1，波长移动范围为740.1-830.2nm，平均曲率灵敏度为6.41nm/m-1。
如图7所示，本实施例涉及一种灵敏度可调的光纤SPR双通道曲率传感器，整体为在图1中传感结构的收光区4右侧刻蚀开口朝向相同的第二凹槽5-1，第二凹槽张口竖直向上，长度为1000μm，深度为56μm，第二凹槽与第一凹槽的距离为至少为10cm，凹槽深度为56μm，凹槽表面镀有厚度为50nm的第二传感金属膜5-2，第二传感金属膜表面涂覆有折射率为1.39的第二紫外固化胶。
一种灵敏度可调的光纤SPR双通道曲率传感器具体制作步骤如下：
S1取一段1m长的渐变折射率多模光纤，剥除光纤中间长度为5cm的涂覆层，用酒精擦拭后，光纤夹持于三维微动台夹具上，使光纤保持水平，调节微动台使裸纤置于CO2激光束正下方，设置CO2激光器的参数(加工参数设置为加工速度800毫米/秒，功率50％，频率5KHz)，光纤上加工出长度为1mm，深度为56μm的第一凹槽3-1，然后向移动三维微动台，移动距离为20cm，并置于CO2激光束正下方，光纤上加工出长度为1mm，深度为56μm的第二凹槽5-1。
S2将刻蚀有凹槽的渐变折射率光纤放入光纤定长切割系统中，旋转螺旋微分头使切割刀在第一凹槽结构前1000μm处进行切割。
S3将定长切割完成后带有凹槽结构的渐变折射率光纤，放入保偏熔接机的光纤夹具中，并在显微镜下调整凹槽的朝向，使第一凹槽和第二凹槽的开口朝向竖直向上并固定，再放入保偏熔接机的右端。S4重复上述制作灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器步骤S4.
S5通过等离子溅射仪分别对两个凹槽区镀制50nm金膜，用光纤涂覆机光纤涂覆机在第一凹槽涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶，在第二凹槽涂覆折射率为1.39的第二紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致的250μm。
如图8所示，本实施例涉及灵敏度可调的光纤SPR二维曲率传感器，整体为在图1中传感结构的收光区4后1000μm处刻蚀一个不同开口朝向的第二凹槽7-1，第二凹槽的张口方向为水平朝前，与第一凹槽的张口方向轴面上相差90度，第二凹槽的长度为1000μm，深度为56μm，第二凹槽上镀有厚度为50nm的第二传感金属膜7-2，第二传感金属膜用光纤涂覆机覆盖有折射率为1.39的第二紫外固化胶，使传感区尺寸与原光纤尺寸一致。
灵敏度可调的光纤SPR二维曲率传感器具体制作步骤如下：
S1取一段1m长的渐变折射率多模光纤，剥除光纤中间长度为5cm的涂覆层，用酒精擦拭后，光纤夹持于三维微动台夹具上，使光纤保持水平，调节微动台使裸纤置于CO2激光束正下方，设置CO2激光器的参数(加工参数设置为加工速度800毫米/秒，功率50％，频率5KHz)，光纤上加工出长度为1mm，深度为56μm的第一凹槽3-1，然后向移动三维微动台，移动距离为1000μm，再旋转三维微动台上的光纤夹具90度，并置于CO2激光束正下方，光纤上加工出长度为1mm，深度为56μm的第二凹槽7-1。
S2重复上述一种灵敏度可调的光纤SPR双通道曲率传感器具体制作步骤S2，S3，S4，S5。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过以上优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器，其特征在于，包括顺次设置的注光区，调制区，传感区，收光区，其中调制区，传感区，收光区位于同一根渐变折射率光纤上，注光区与调制区正对熔接；
所述注光区为纵横排芯光纤，共有7根呈L形排布石英纤芯，其中光纤轴心排布1根纤芯，纵轴向上方向排布3根纤芯，横轴向右方向排布3根纤芯；
所述调制区为渐变折射率光纤，纤芯直径为105μm，石英包层直径为125μm，数值孔径为0.3，塑料涂覆层直径为250μm，长度为1000μm，为光在渐变折射率光纤中传输2/3个自聚焦效应周期的长度；
所述传感区为加工有第一凹槽的渐变折射率多模光纤，第一凹槽为平底凹槽，凹槽的基底为渐变折射率光纤的石英纤芯，第一凹槽的长度为1000μm，深度为56μm，第一凹槽的张口方向为竖直朝上，第一凹槽表面镀有厚度为50nm的第一传感金属膜，第一传感金属膜表面用光纤涂覆机涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致的250μm；
所述收光区为渐变折射率光纤，其长度大于0.5m。
2.根据权利要求1所述的灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器，其特征在于：所述传感区的凹槽深度的范围为10-62.5μm，曲率灵敏度随凹槽深度增大而减小，曲率线性度随凹槽深度增大而增大；对注光区不同纤芯注光，以调节传感器灵敏度和线性度，注光纤芯与光纤中心轴线的距离越大，传感区的SPR入射角越小，对应的曲率传感灵敏度越大，而线性度越低。
3.一种灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的制作方法，其特征在于：
S1取一段渐变折射率多模光纤，剥除光纤中间的部分涂覆层，擦拭后将光纤夹持于三维微动台夹具上，使光纤保持水平，调节微动台使裸纤置于CO2激光束正下方，用CO2激光器在光纤上刻蚀形成长度为1mm，深度为56μm的平底凹槽；
S2将刻蚀有凹槽的渐变折射率光纤放入光纤定长切割系统中，旋转螺旋微分头使切割刀在平面凹槽结构前1000μm处进行切割；
S3将定长切割完成后带有凹槽结构的渐变折射率光纤，放入保偏熔接机的光纤夹具中，并在显微镜下调整凹槽的朝向，使凹槽开口朝向竖直向上并固定，再放入保偏熔接机的右端；
S4将已切平的纵横排芯光纤放入保偏熔接机的光纤端面显微定位装置观测纵横排芯光纤端面，旋转光纤夹具使纵横排芯光纤两个轴面上的纤芯分别竖直向上和水平向左，并锁定光纤夹具，再将固定好的纵横排芯光纤及光纤夹具放入保偏熔接机的左端，最后与渐变折射率光纤调制区的左端正对熔接；
S5通过等离子溅射仪对凹槽区镀制50nm金膜，用光纤涂覆机光纤涂覆机涂覆折射率为1.33的第一紫外固化胶，并使涂覆后的光纤直径达到与涂覆层直径一致。
4.一种灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的使用方法，其特征在于：
S1用保偏熔接机的光纤端面显微定位装置观测纵横排芯光纤左侧端面，旋转光纤夹具使纵横排芯光纤两个轴面上的纤芯分别竖直向上和水平向右，并将光纤夹具锁定，再将固定好纵横排芯光纤的光纤夹具一同放入三维微动台的右端；
S2将端面平整、直径为4μm的单模光纤放入三维微动台的左端，调制三维微动台使单模光纤的纤芯正对纵横排芯光纤的中间芯；
S3将所述的凹槽传感区夹持于筒式显微镜正下方，转动夹具使平面凹槽槽口垂直向上，用固定于升降台上的光纤夹持棒夹持住光纤弯曲传感区；
S4单模光纤的左端与宽谱光源相连，渐变折射率光纤收光区的右端与光谱仪相连，然后控制升降台，实现凹槽传感区外凸弯曲和内凹弯曲，对应传感光谱上的SPR共振谷向短波长移动和向长波长移动，根据波长移动量与曲率的关系解调出曲率值；
S5光纤SPR曲率传感器灵敏度及线性度调节的方法：控制三维微动台左侧的单模光纤向竖直方向移动或水平向右移动，每次移动量为10μm，对纵横排芯光纤的不同纤芯注光，对不同的纤芯通光后，与凹槽平面产生的SPR入射角不同，则弯曲凹槽传感区具有不同的曲率灵敏度，越靠近外侧的纤芯通光，与凹槽平面产生的SPR入射角越小，曲率灵敏度随偏芯的距离增大而增大，同时传感器的线性度随偏芯的距离增大变小，通过选用更大偏心距离的偏心光纤制作传感探针，以提升曲率灵敏度，通过选用更小偏心距离的偏心光纤制作传感探针，以提高曲率灵敏度的线性度。
5.一种如权利要求1灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器，其特征在于：所述收光区右侧还设有第二凹槽，第二凹槽张口竖直向上，长度为1000μm，深度为56μm，第二凹槽与第一凹槽的距离为至少为10cm，凹槽深度为56μm，凹槽表面镀有厚度为50nm的第二传感金属膜，第二传感金属膜表面涂覆有折射率为1.39的第二紫外固化胶。
6.根据权利要求3所述一种灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的使用方法，其特征在于：分别将第一渐变折射率光纤上的凹槽传感区和第二渐变折射率光纤上的凹槽传感区分别放置于两个光纤旋转夹具中，并放于筒式显微镜正下方，转动两个光纤夹具使两个凹槽传感区槽口都垂直向上，最后用固定于升降台上的光纤夹持棒夹持两个光纤凹槽传感区，控制两处升降台上移，使两处的凹槽传感区向外凸或内凹方向弯曲，实现双通道曲率传感，利用传感光谱上对应两个SPR共振谷的移动量对曲率进行解调。
7.一种如权利要求1灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器，其特征在于：所述渐变光纤传感区后1000μm处刻蚀第二凹槽，所述第二凹槽与第一凹槽的张口方向轴面上相差90度，第二凹槽的长度为1000μm，深度为56μm，第二凹槽上镀有厚度为50nm的第二传感金属膜，第二传感金属膜用光纤涂覆机覆盖有折射率为1.39的第二紫外固化胶。
8.权利要求3所述灵敏度可调的光纤SPR曲率传感器的使用方法，其特征在于：将两个传感区放入同一个光纤旋转夹具中，并放入筒式显微镜下，旋转光纤夹具使第一凹槽张口方向竖直朝上，第二凹槽的张口方向水平朝前，再固定光纤夹具，利用升降台上的光纤夹持棒夹持在两个光纤凹槽传感区的中间位置，控制升降台上下移动，使第一凹槽外凸和内凹弯曲；然后旋转光纤夹持棒的方向，使其保持竖直，并夹持在两个光纤凹槽传感区的中间位置，控制升降台左右移动，使使第二凹槽外凸和内凹弯曲，记录不同传感区对应的不同SPR共振谷波长移动情况，利用波长解调出曲率值，实现多维弯曲方向识别。
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