CN117647326A - 一种级联mzi的spr光纤传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种级联MZI的SPR光纤传感装置；所述SPR光纤传感装置由宽带连续光源、单模光纤、环行器、传感探头、光谱仪和计算机组成；传感探头是单模光纤‑可见光单模光纤‑单模光纤熔接，并在单模光纤末端研磨成楔形结构；单模光纤与可见光单模光纤熔接构成马赫曾德尔干涉仪，用于检测外界温度以消除温度对SPR效应的干扰，镀有金属薄膜的楔形结构用以激发SPR效应并将光波反射回光纤纤芯，环行器将反射光耦合进光谱仪；利用SPR传感机制，将液体分析物折射率(RI)的微小变化转换成可测量的共振峰的变化，实现折射率传感。本装置具有灵敏度高、结构紧凑、稳定性强等优点，可广泛用于生化分析物检测、水污染监控和磁场测量领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种级联MZI的SPR光纤传感装置，属于光纤传感领域。
背景技术
马赫-曾德尔干涉仪(MZI)是一种干涉仪，可以用来观测从单独光源发射的光束分裂成两道准直光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对相移变化。典型的MZI传感器，其传感臂和参考臂的光都是在纤芯中传播中，在进行环境折射率测量时，外界参量的变化会引起光纤直径与纤芯折射率的改变，从而导致传感臂与参考臂传输过程中产生一定相位差，相位差的产生从而使发生干涉的光谱变化。光学表面等离子体共振(Surface PlasmonResonance,SPR)是一种光学物理现象。自从Lied-berg等将SPR技术用于化学传感装置研究领域以来SPR传感装置逐渐成为国际传感装置领域的研究热点。当一束P偏振光(偏振方向平行平面)在一定的角度范围内入射到棱镜端面，在棱镜与金属薄膜(Au或Ag)的界面将产生表面等离子体波。当入射光波的传播常数与表面等离子体波的传播常数相匹配时，引起金属膜内自由电子产生共振，即表面等离子体共振。电磁波发生共振的条件就是两个波具有相同的频率和波矢(即波长)且传播方向一致。若倏逝波与表面等离子体子的频率和波矢相同，则二者将发生共振。共振时界面处的全反射条件将被破坏呈现衰减全反射现象，即反射率出现最小值。
SPR传感装置主要分为棱镜型和光纤型两种类型。棱镜型为了产生SPR，必须在棱镜-金属的交界面产生全反射，基于棱镜的SPR传感装置体积较大而不易携带且成本较高，所以以光纤为媒介的SPR传感装置逐渐发展起来。申请号为CN201210067372.7的专利提出了一种基于石墨烯薄膜增敏的D型光纤SPR传感装置，该发明采用D型光纤作为光的传输媒质，D型光纤表面镀银膜形成S PR结构；之后各个申请人分别提出一种SPR光纤折射率传感装置和制备方法及应用(CN114088664A)；一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感装置(CN109655430A)和基于SPR效应的栅状膜双芯D型光子晶体光纤折射率传感装置(CN110441260A)，这几种都是用不同结构来激发SPR，并实现了对折射率的测量，但他们都只能检测折射率，而无法消除温度对SPR的干扰；基于S PR的方孔光子晶体光纤折射率传感装置及方法(CN112432924 A)在测量折射率的同时还进行了温度补偿，但它是传输式结构，存在传感区域较大，易折断等问题；且这些都是用的特种光纤，成本较高。Zijian Hao等人在2022年提出了一种基于单模光纤楔形结构的反射式SPR光纤传感装置[HaoZijian.Nanopho-to nics,2022,11(15)]，该结构将传感区域置于光纤末端，易于检测样品且易清洗，但由于多模光纤内传输的光波模式较多，SPR的吸收峰的半高全宽较大，灵敏度还有待提升。
本发明运用常见的单模光纤，不仅成本低，而且使其传感区域更小，传感区域面积不到100μm2，传输的光波只有一个模式，SPR的吸收峰的半高全宽较小，可以得到更窄的吸收峰，精度更高。本发明还将级联马赫曾德尔干涉仪以消除温度对SPR效应的干扰，以提高检测的准确度。马赫曾德尔基本原理为入射光在光纤中传输时，经过光束耦合器分为两束。一束光在光纤包层中传输，一束光在光纤纤芯中传输，分别作为干涉路径中的传感臂和参考臂。传输在光纤包层中的光因为外界环境的变化引起相位的变化，两束光在经过第二个耦合器时叠加在一起，传输过程中的相位差产生了干涉光谱，通过观察和分析干涉光谱来得出外界参量的变化信息。
发明内容
本发明专利设计了一种级联MZI的SPR光纤传感装置，用于测量溶液的折射率和温度。
本发明专利的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供的是一种级联MZI的SPR光纤传感装置。所述SPR光纤传感装置由宽带连续光源1、单模光纤3、环行器2、传感探头4、光谱仪5和计算机6组成。传感探头是单模光纤-可见光单模光纤-单模光纤熔接，并在单模光纤末端研磨成楔形结构。单模光纤与可见光单模光纤熔接构成马赫曾德尔干涉仪，用于检测外界温度以消除温度对SPR效应的干扰，镀有金属薄膜的楔形结构用以激发SPR效应并将光波反射回光纤纤芯，环行器将反射光耦合进光谱仪。利用SPR传感机制，将液体分析物折射率(RI)的微小变化转换成可测量的共振峰的变化，实现折射率传感。本装置具有灵敏度高、结构紧凑、稳定性强等优点，可广泛用于生化分析物检测、水污染监控和磁场测量领域。
本发明实现折射率传感的器件传感探头主要由两部分组成，第一部分是可见光单模光纤末端的楔形反射结构，目的是将入射光在楔形传感面与金膜发生共振，形成SPR效应，并由反射面反射回纤芯，目的是实现反射式的实时折射率测量。第二部分是马赫曾德尔干涉仪，其目的是检测外界温度，消除温度对SPR效应的干扰。
本发明的核心是光纤末端的楔形结构，能将SPR激发后反射回纤芯内并经环行器耦合进光谱仪中。现以图1中传感探头(4)放大图来说明本发明的楔形结构实现反射式SPR传感的原理。本发明设计了楔形反射结构，其中传感面的角度为α，该表面需研磨过纤芯，使整个纤芯与包层的角度相同，传感面的金属膜厚度为d1，40nm≤d1≤60nm,反射面的角度为β，该表面仅需研磨包层，无需研磨至纤芯,其金属膜厚度为d2,150nm≤d2≤200nm。其角度满足公式
2α+β＝90° (1)
当光波从纤芯入射到满足此公式的楔形结构，会在传感面激发SPR后反射到反射面，由于其角度满足公式，传感面的反射光与反射面刚好为垂直关系，所以反射光会沿原路返回。
本发明级联了马赫曾德尔干涉仪。MZI型光纤干涉型传感器的基本原理是由于外界条件的变化对光纤传输中的包层模式有影响，从而引起芯模和包层模产生相位差产生干涉。芯模和包层模之间的相位差表示为
其中Δneff表示芯模和m阶包层模的有效折射率差，λ是入射波长，L是传感器的长度。
利用马赫曾德尔干涉原理可以实现对外界温度的监测。入射光从单模光纤进入可见光单模光纤，单模纤芯的光波分别进入可见光单模光纤的纤芯和内包层，从而使基模分为基模和包层模，由于纤芯和包层的折射率不同产生了光程差，当反射光再次由可见光单模光纤进入单模光纤，会发生干涉，外界的温度变化会直接引起光纤的包层模式发生变化，导致干涉峰的位移。干涉峰的位移与温度的变化呈线性关系，因此通过马赫曾德尔传感器，就可以得到待测溶液的温度变化。通过算法消除由于温度变化对SPR共振峰的干扰。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
该SPR光纤传感装置的传感区域极小，只有微米量级，实现了高精度、高灵敏度的样品折射率检测分析，在各类检测领域都具有很好的前景。
附图说明
图1是SPR光纤传感装置系统示意图。SPR光纤传感装置系统是由宽带连续光源1，环行器2，传输单模光纤3，传感探头4，光纤光谱仪5，计算机6组成。图1的传感探头4是实施例中已覆膜的SPR光纤传感区结构示意图；其中4-1为单模光纤包层，4-2为单模光纤纤芯，4-3为可见光单模光纤包层，4-4为可见光单模光纤纤芯，4-5为反射面研磨角度β；4-6为楔形结构的传感面研磨角度α，4-7为SPR激发金属薄膜，4-8为反射金属薄膜。
图2为在不同折射率下的SPR共振峰仿真光谱图。
图3为不同折射率下的MZI共振波长光谱图。
图4为不同温度下的SPR共振波长光谱图。
图5为不同温度下的MZI共振波长光谱图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明专利作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本实施例中，首先将单模光纤与长为200μm的可见光单模熔接，接着再熔接一段长为5cm的单模光纤，在单模末端进行倾斜研磨，研磨出α、β角，其中，α一般为小角度，10°≤α≤30°，优选用20°，β一般为大角度，30°≤β≤70°，优选用50°，20°角的斜面要研磨至纤芯，其深度一般为75μm左右，50°角的斜面则只需将剩余未研磨的包层研磨，一般深度为45μm左右。研磨完毕后用显微镜观测两个角度，确保20°的斜面研磨过纤芯，且两个斜面角度满足权利要求书中所述的角度公式。其中，20°的斜面只需镀上50nm的金属膜，用以激发SPR，50°角的斜面则需镀上200nm的全反膜，以确保大部分的光波能够反射回纤芯并被光谱仪接收到。
当外界温度改变时，现有SPR光纤传感装置的光谱数据会产生相应的变化，具体表现为共振峰的移动，从而导致折射率的测量准确性下降。因此需要采取一定的措施来补偿温度引起的光谱数据的变动。
在单模-可见光单模-单模的结构中会产生马赫曾德尔效应，其共振曲线对外界温度有一定的灵敏度，可以对SPR进行温度补偿。
在室温25℃下，宽带光源通过光纤传输到所述的SPR传感区，在传感区域激发表面等离子体共振效应，待测样品为溶液，当溶液折射率发生变化时，会影响SPR共振峰的位置。根据图3可以看到，随着折射率的增大，SPR共振峰发生红移。通过寻找共振峰的位移和外界折射率的线性关系，可以达到测量外界折射率的目的。同理，通过改变溶液的温度，同时观察光谱仪解调出来的马赫曾德尔反射谱，得出具体的温度变化对应的共振峰位移的关系，然后通过算法去除温度对SPR共振峰的干扰。算法如下：
其中，M11为SPR的折射率拟合曲线的斜率，M12为SPR温度拟合曲线的斜率，同理，M21为MZI的折射率拟合曲线的斜率，M22为SPR温度拟合曲线的斜率。
以上是本发明的较佳实施案例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种级联MZI的SPR光纤传感装置，其特征在于：由宽带连续光源(1)、单模光纤(3)、环行器(2)、传感探头(4)、光谱仪(5)和计算机(6)组成；所述单模光纤和宽带连续光源相连，光波在单模光纤传输经环行器耦合进传感探头的马赫曾德尔干涉仪和楔形反射区域，马赫曾德尔干涉仪产生干涉光，光波在楔形反射结构的表面(4-6)激发SPR并反射至表面(4-7)后垂直反射回纤芯，反射光再经环行器耦合进光谱仪。
2.根据权利要求1所述的一种级联MZI的SPR光纤传感装置，其特征在于：所述的楔形反射结构是单模光纤末端按一定倾斜角度研磨成楔形，其传感面需研磨过纤芯至下包层，角度为α，反射面只需研磨包层，角度为β，这两个角满足公式2α+β＝90°。
3.根据权利要求1所述的一种级联MZI的SPR光纤传感装置，其特征在于：表面(4-6)为SPR激发面，金属薄膜厚度为d1，表面(4-7)为反射面，金属薄膜厚度为d2。
4.根据权利要求1所述的一种级联MZI的SPR光纤传感装置，其特征在于：用单模光纤-可见光单模光纤-单模光纤结构激发马赫曾德尔干涉。
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