CN116297326A - 可同步激发spr的超特性多单模光纤并联传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤传感系统，具体涉及一种可同步激发SPR的超特性多单模光纤并联传感系统，所述并联传感系统由三根并联的单模光纤组成，所述单模光纤由包层和纤芯组成，其中两侧的单模光纤的包层单侧抛光，中间的单模光纤的包层双侧抛光，包层的抛光面涂覆有金膜；包层的半径为7.5mm，纤芯的半径为4.1mm，金膜的厚度为40nm，包层的背景材料为二氧化硅，单模光纤为折射率引导型光纤。该光纤传感系统光学性能好，制造工艺简单，鲁棒性强。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光纤传感系统，具体涉及一种可同步激发SPR的超特性Multi-SMFs（多单模光纤）并联传感系统。
背景技术：
随着生化研究，医疗诊断，材料科学，纳米光子学和环境监测等领域对检测样品折射率的需求日益增长，SPR 技术被广泛应用于光学传感技术研究领域。表面等离子体共振（SPR）是一种奇特的的物理光学现象，具体涉及电磁表面波的共振激发和金属中自由电子的集体振荡。当在金属-介质界面上激发时，电磁波能量被吸收，在共振波长处可以得到一个较窄的吸收峰，而它对周围环境中介质折射率的微小变化极其敏感，可有效对待测样品产生快速响应，实现高灵敏度和分辨率表达。因此，凭借其实时免标记监测、输出特性优良、高选择性、检测成本低廉等杰出特点备受青睐，被广泛应用于化学、生物、医学及其交叉学科领域对待测样品进行检测分析。
近年来，多种类型的SPR传感平台相继被提出，依据激发方式的不同可分为棱镜型、光纤型和光栅型。虽然棱镜型 SPR传感平台具有灵敏度高、稳定性好、易激发等优点而已获得部分商业化应用，但是这种棱镜耦合型结构存在测量系统体积大、传感元件尺寸大以及不能远程监控等缺点，不能满足微型化、集成化、智能化发展的需求，限制了其广泛应用。为了满足上述客观需求，表面等离子体材料涂覆光纤型SPR 传感结构逐渐受到重视。光纤是由纤芯和包层构成的一种圆柱型波导，纤芯的折射率高于包层的折射率，光纤内传输的光波在纤芯和包层界面满足全内反射条件而被约束在其中。这种依附于光纤型SPR传感结构不但体积小、需检测样品量小、无需大尺寸棱镜，而且能够具有远程监测的能力，为SPR 传感器的微型化研究开辟了新路径，促进了各类光纤 SPR 传感技术的长足发展。
光纤型 SPR传感器又可分为普通单模光纤型、多模光纤型、光纤布拉格光栅型、倾斜光纤光栅型以及光子晶体光纤型。在众多的光纤 SPR传感器中，普通单模光纤型和光子晶体光纤型备受关注，前者的优势在于成本低、商业生产制造成熟、抗恶劣环境干扰能力强，但基于普通单模光纤型SPR传感器所呈现出的灵敏度、分辨率等光学特性相对差；而基于光子晶体光纤型 SPR传感器因其包层内空气孔排布和结构设计的灵活、可调的色度色散以及良好的非线性等杰出特性在研究领域内掀起了“学术浪潮”，各式各样的优化型结构先后被提出，但其劣势在于难以实现按照所需对不同结构进行工艺制造和批量生产并且成本昂贵、光纤内部空气孔易受外界环境干扰而塌陷。
发明内容：
本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供一种可同步激发SPR的超特性Multi-SMFs（多单模光纤）并联传感系统，该光纤传感系统光学性能好，制造工艺简单，鲁棒性强。
本发明采用的技术方案为：一种可同步激发SPR的超特性Multi-SMFs并联传感系统，所述并联传感系统由三根并联的单模光纤组成，所述单模光纤由包层和纤芯组成，其中两侧的单模光纤的包层单侧抛光，中间的单模光纤的包层双侧抛光，包层的抛光面涂覆有金膜；包层的半径为7.5mm，纤芯的半径为4.1mm，金膜的厚度为40nm。
进一步地，所述包层的背景材料为二氧化硅。
进一步地，所述单模光纤为折射率引导型光纤。
进一步地，可同步激发SPR的超特性Multi-SMFs并联传感系统（SPR和Multi-SMFs分别为表面等离子体共振和多单模光纤的缩写），超特性传感系统是由三根抛光且在抛光面涂覆金膜的单模光纤，包层被腐蚀到合适的半径后对其进行抛光处理，金膜被涂覆在光纤抛光面，三根单模光纤并联构成可同步激发SPR的超特性传感系统
本发明的有益效果：提供了一种可同步激发SPR的超特性Multi-SMFs（多单模光纤）并联传感系统，该光纤传感系统光学性能好，制造工艺简单，鲁棒性强。其主要优点如下：
（1）、可检测的分析物折射率范围为1.00-1.44，实现了大范围内对气、液两态物质同时检测的可能；
（2）、可操作的工作波段为1200-6900 nm，极大地拓宽了红外光波的可传输区间；
（3）、达成对待测分析物的快速响应，持续输出良好的光学特性，最优灵敏度、平均灵敏度、最大分辨率分别可达50000 nm/RIU、12906.98 nm/RIU、2×10-6RIU。特别地，现有研究中，在宽广的分析样品折射率检测范围内（1.00-1.44），平均灵敏度达10000 nm/RIU以上并不常见；
（4）、有效弥补了特种光纤传感系统实际制造困难等不足，极大提升了普通单模光纤对分析样品折射率检测的超特性表达；
（5）、该传感系统结构设计合理，易于实际制造和多领域应用。
附图说明：
图1是实施例一中并联传感系统的横截面示意图；
图2是实施例一中并联传感系统的主视图；
图3是实施例一中传感系统在检测分析样品时，折射率在1.00-1.09范围内的各限制损耗与共振波长的关系曲线图；
图4是实施例一中传感系统在检测分析样品时，折射率在1.10-1.19范围内的各限制损耗与共振波长的关系曲线图；
图5是实施例一中传感系统在检测分析样品时，折射率在1.20-1.29范围内的各限制损耗与共振波长的关系曲线图；
图6是实施例一中传感系统在检测分析样品时，折射率在1.30-1.39范围内的各限制损耗与共振波长的关系曲线图；
图7是实施例一中传感系统在检测分析物样品时，折射率在1.40-1.44范围内的各限制损耗与共振波长的关系曲线图。
具体实施方式：
参照图1，一种可同步激发SPR的超特性Multi-SMFs（多单模光纤）并联传感系统，所述并联传感系统由三根并联的单模光纤组成，所述单模光纤由包层1和纤芯2组成，其中两侧的单模光纤的包层1单侧抛光，中间的单模光纤的包层1双侧抛光，包层1的抛光面涂覆有金膜3；包层1的半径为7.5mm，纤芯2的半径为4.1mm，金膜3的厚度为40nm，包层1的背景材料为二氧化硅，单模光纤为折射率引导型光纤。
可同步激发SPR的超特性Multi-SMFs并联传感系统为光纤传感系统，三根单模光纤并联构成可同步激发SPR的超特性传感系统。Multi-SMFs-SPR传感系统是利用涂覆在光纤表面的金膜作为传感层，将金膜涂覆在包层抛光外表面，待测样品填充到金膜外侧。当光源发射出的偏振光入射到单模光纤内部时，不同波长的光分别以特定的模式在三根单模光纤内沿着轴心方向同步向前传输，而表面等离子体波则是以固定的模式在金膜内传输。当单模光纤内某一波长的光与包层外侧金膜内的表面等离子体波的波矢相同时，能量耦合将会发生，由于并联结构的特殊性设计，自身耦合与相互耦合两种耦合机制并存。单模光纤内的光能会耦合到金膜内，此时，单模光纤内的光能能量减少，即单模光纤内发生了能量损耗。能量损耗最大所时对应的光波长为共振波长。通过能量损耗和光波长的关系，画出能量的损耗谱。图3-图7描述了传感系统在待测样品折射率为1.00-1.44下的各限制损耗图，从图中可以观察到，当金膜外侧的待测样品的折射率以0.01变化量增加时，共振波长随之减小，呈现蓝移趋势，共振峰逐渐减小。从图中分析可知，该传感系统在各折射率下的灵敏度普遍都很高，最佳灵敏度和平均灵敏度分别为50000 nm/RIU、12906.98 nm/RIU。特别地，现有研究中，在宽广的分析样品折射率检测范围内（1.00-1.44），平均灵敏度达10000nm/RIU以上并不常见，这将对实际工程等领域应用具有重要的研究意义和使用价值。综上所述，该并联传感系统具有结构设计合理，易于实际制造和多领域应用的突出优势和特点。
Claims (3)
1.一种可同步激发SPR的超特性多单模光纤并联传感系统，其特征在于：所述可同步激发SPR的超特性Multi-SMFs并联传感系统由三根并联的单模光纤组成，所述单模光纤由包层（1）和纤芯（2）组成，其中两侧的单模光纤的包层（1）单侧抛光，中间的单模光纤的包层（1）双侧抛光，包层（1）的抛光面涂覆有金膜（3）；包层（1）的半径为7.5mm，纤芯（2）的半径为4.1mm，金膜（3）的厚度为40nm。
2.根据权利要求1所述的一种可同步激发SPR的超特性多单模光纤并联传感系统，其特征在于：所述包层（1）的背景材料为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种可同步激发SPR的超特性多单模光纤并联传感系统，其特征在于：所述单模光纤为折射率引导型光纤。
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