CN209727122U - 一种基于少模双芯光纤的准分布式spr传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种基于少模双芯光纤的准分布式SPR传感器，包括第一级双芯光纤锥角结构SPR探针、第二级双芯光纤锥角结构SPR探针，微量注射泵、针筒废液池，超连续谱光源，光谱仪，计算机，不同研磨角度的双芯光纤SPR探针共振波长工作动态范围不同，将两级不同研磨角度的锥角结构探针级联到一起，形成少模双芯光纤准分布式SPR传感器。本实用新型的优点在于：光纤型SPR传感器体积小、可以直接放置在待测环境中；采用少模光纤，SPR灵敏度高；复合后各级灵敏度与单级相同，分布距离控制方便。本实用新型可在同一传感区对混合物进行多种分析物同时检测，不同通道也可参照，进行温度补偿与非特异性测量剔除等应用。

Description

一种基于少模双芯光纤的准分布式SPR传感器

技术领域

本实用新型属于光纤SPR传感器领域，特别涉及一种基于少模双芯光纤的准分布式SPR传感器。

背景技术

表面等离子体共振光学现象在分析生物材料和环境检测方面有着广泛的应用。基于电磁现象的SPR技术能够探测折射率和接近传感表面的电介质厚度。 SPR传感平台通常是基于Kretschmann结构的，由薄的高导电金属(常见的是金或者银)层覆盖在棱镜表面组成。其反射光谱的特性对临近金属层外侧介质的折射率是高度敏感的。相比于空间棱镜结构的SPR需要流体处理系统给传感探头送样，光纤SPR传感探针具有小型化，可以直接浸泡在待测溶液中，适合遥感等一系列优点，是SPR技术发展和系统微型化的自然延伸。

随着待测目标参量种类和特性的多样化，使得常规单通道SPR传感机构已逐渐无法满足实际检测的需要。对测量的可靠性和实时性提出较高要求，如何进一步提高系统效率，降低检测成本以及克服环境因素干扰的影响都成为亟待解决的关键问题。因此研制具备高集成度、高通量、多组分和多位点同时测定能力的新型分布式表面等离子体波传感器成为人们日益关注的焦点。由于表面等离子体的密度与环境温度紧密相关，而通过外界温度传感器进行温度补偿效果并不是很好。在分布式SPR传感器中，直接采用某个传感器用于监测与补偿温度即可，补偿效果好，系统简单。分布式光纤SPR传感器主要以波长调制为主，一般是在同一棱镜、光纤或者波导结构上制作多个具有传感功能的部位，利用各个传感部位的共振波长不一致，实现同一检测结构上多点的同时测量。分布式SPR传感器可同时测量多点，因此它在实现多种物质的测量和多点测量方面也有着显著优势。

Homola(Sensors and Actuators B:Chemical，2001，403-410)给出了基于Kretschmann结构的双通道表面等离子体波传感器，通过在棱镜底部蒸镀调制层，从而形成两个独立的传感区域。其缺点是限制了系统的小型化，不易实现远程测量和不能减少感测系统的成本。Pavel Adam(Sensors and Actuators B: Chemical，2006，774–781)研制出基于衍射光栅的多通道表面等离子体波检测系统，但其在镀膜工艺和夹具设计上存在一定困难。为了减少传感器的灵敏度和稳定性受外界环境条件的影响，Wei Peng等(OpticsLetters，2005，2988-2990) 设计了双通道的SPR光纤传感器，可以用同一个探头的两侧面来探测两个独立的SPR信号。Yinquan Yuan(Sensors and Actuators B:Chemical，2012，269-273) 则采用在一根光纤的不同位置分别镀制金膜及银膜配置两个表面等离子体波传感器，这种离散型传感结构理论上可以实现两个参量和位点的同时检测。但由于共振范围调节较为困难，对于特定检测通道会出现缺损。Wei Peng(Optics Letters，2005，2988-2990)通过有机复合膜实现调节一路SPR工作范围的分布式光纤SPR。然而，附加层减少了表面波与目标介质相互作用的能量，导致灵敏度的降低。Barbora(Sensors andActuators B:Chemical，2009，199-203) 是在单根光纤种利用光栅制成多通道SPR传感器，但是基于光栅的SPR传感器灵敏度低。

对于光纤级联分布式多通道SPR传感器来说，实现难点在于没有简单有效的方法调节单级SPR动态范围，难于在有限波长检测范围内产生两个易于区分的共振谷。基于此，本实用新型提出了一种基于少模双芯光纤的分布式SPR传感器。单级锥角结构的少模双芯光纤SPR传感器具有灵敏度高，可以调节SPR 共振谱工作范围的优势。将不同角度的少模双芯光纤锥角结构探针级联到一起，可形成少模双芯光纤分布式SPR传感器。这种传感器具有复合后各级灵敏度与单级灵敏度相同、分布距离控制方便、可以更多级级联分布式的优势。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于少模双芯光纤的分布式级联SPR传感器，可实现更多级分布式，对同时监测不同物质的多通道传感具有巨大意义。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于少模双芯光纤的准分布式SPR传感器，包括第一级双芯光纤锥角结构SPR探针、第二级双芯光纤锥角结构SPR探针，第一微量注射泵、第二微量注射泵，第一针筒、第二针筒，第一废液池、第二废液池，超连续谱光源，光谱仪，计算机，将第一级双芯光纤锥角结构SPR探针、第二级双芯光纤锥角结构SPR探针分别置于反应池中，用第一微量注射泵、第二微量注射泵将对应第一针筒、第二针筒中的待测折射率溶液实时注入两反应池，测量后的废液分别排入第一废液池、第二废液池，超连续谱光源发出的宽谱光注入第一级SPR 探针左侧入射光纤芯，具有不同研磨角度的两级探针分别发生SPR现象，信号光通过第二级探针右侧出射纤芯注入光谱仪采集两次SPR衰减光谱，并送入计算机进行数据处理。

可选地，第一级双芯光纤锥角结构SPR探针、第二级双芯光纤锥角结构SPR 探针由包层直径为125μm的微结构双芯光纤制成，每根纤芯直径为6μm至9 μm，使500nm-1000nm波长宽谱光传输模式为少量低阶模或基模，两根纤芯对称分布在光纤轴线两侧，两纤芯间距30μm至110μm。

可选地，第一级双芯光纤锥角结构SPR探针、第二级双芯光纤锥角结构SPR 探针通过裸光纤端面精密研磨技术将两根双芯光纤端面研磨成设计角度及深度的同样锥角结构，反转后采用电极放电焊接的方式连接两根双芯光纤后镀膜加工制成，两级研磨角度设计为9°至20°之间的不同角度，角度间隔要保证两级SPR共振波长相差100nm以上，由计算机仿真设计确定。

可选地，所述的第一级双芯光纤锥角结构SPR探针，宽谱光源从其入射光纤芯注入后，在镀有50nm金膜的SPR传感面发生全反射并发生SPR现象，在镀有300nm金膜的反射面上反射后，进入出射光纤芯，第二级双芯光纤锥角结构SPR探针光信号传输方式相同。

可选地，所述的超连续谱光源，带宽范围覆盖500nm至1000nm波段。

可选地，所述的光谱仪为可见光波段光谱仪，检测范围覆盖500nm至 1000nm波段。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提出的一种基于少模双芯光纤的分布式级联SPR传感器，通过采用裸光纤研磨技术控制双芯光纤锥角结构SPR探针的研磨角度，从而控制 SPR入射光角度，进而控制单级双芯光纤锥角结构SPR探针共振波长动态工作范围，解决光纤型SPR波分复用技术中难于调节单级SPR动态范围，在有限波长检测范围内产生两个易于区分共振谷的问题。本实用新型提出的双芯光纤分布式SPR传感器实现了光纤型SPR传感器时分复用技术，可在一次测量中同时完成两种甚至多种待测物质的检测。对多分析物检测、消除背景折射率干扰、温度自参考等有重要意义。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为少模双芯光纤锥角结构SPR传感探针示意图。

图2为基于少模双芯光纤的准分布式SPR传感器工作系统示意图。

图3为两级研磨角度分别为9°和17°时，改变第一级探针测量折射率仿真图

图4为两级研磨角度分别为9°和17°时，改变第二级探针测量折射率仿真图

图5为两级研磨角度分别为9°和17°时，同时改变两级探针测量折射率仿真图

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型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实用新型的基本构想，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，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，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。

本实用新型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；在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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，不能理解为对本实用新型的限制，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。

本实用新型可通过如下的方式实现，双芯光纤锥角结构SPR传感探针结构如图1所示。由两根双芯光纤端面切平后，研磨成相同角度的锥角结构焊接制成。在左侧双芯光纤锥角斜面1-2上镀制50nm金膜形成SPR传感区。超连续谱光源6从双芯光纤入射光纤芯1-1注入入射光，在设计角度的单模光纤锥角斜面 1-2处发生全反射，单模光纤锥角斜面1-2上的50nm金膜与传输光夹角匹配为 SPR共振角，从而实现Kretchmann棱镜结构，发生表面等离子体共振，产生一个衰减的反射光谱。信号光入射至右侧双芯光纤后，在双芯光纤斜面1-3处再次发生全反射，沿水平方向在右侧双芯光纤出射光纤芯1-4中传输，同样模式经过第二级传感探针2后，并进入光谱仪7采集双芯光纤锥角结构SPR传感探针衰减反射光谱。在右侧双芯光纤锥角斜面1-3处镀制300nm厚的金膜作为反射膜。

图2是本实用新型的实验装置图。将第一级双芯光纤锥角结构SPR探针、第二级双芯光纤锥角结构SPR探针分别密封在两个反应池中，配置不同浓度的甘油水溶液，用阿贝折射率分析仪标定溶液折射率。用第一微量注射泵3-1、第二微量注射泵3-2分别将第一针筒4-1、第二针筒4-2中的待测甘油水溶液注入反应池，测量后的废液排至第一废液池5-1、第二废液池5-2。将超连续谱光源6 (NKT公司的Compact single mode white light soure)注入分布式少模式双芯光纤探针第一级1左侧双芯光纤的入射纤芯1-1，传输光在双芯光纤锥角斜面1-2 上发生全反射和表面等离子体共振，反射后的信号光进入右侧双芯光纤，并在双芯光纤锥角斜面1-3处再次发生全反射，沿第一级右侧双芯光纤出射纤芯1-4 水平传输。同样原理经过第二级双芯光纤锥角结构SPR探针2后，第二级探针右侧双芯光纤出射纤芯2-4将信号光传输至光谱仪7(YOKOGAWA公司的 AQ6373)采集SPR的衰减光谱，并送入计算机8进行数据处理。

利用matlab软件仿真计算经过两级SPR传感探针全反射后的P光反射率，光纤纤芯折射率取固定值1.467，金膜厚度取50nm。令第一级探针研磨角度为 9°，SPR共振角81°，令第二级探针研磨角度为17°，SPR共振角73°。将分布式双芯少模光纤探针第二级17°锥角放置在1.36折射率环境中，单独改变第一级9°锥角结构SPR探针折射率环境从1.333至1.385，matlab计算结果见图3(第二级17°锥角结构SPR探针共振谷波长恒定在860nm，第一级9°锥角共振谷波长从622nm变化至763nm，灵敏度为2712nm/RIU)。

将分布式少模双芯光纤探针第一级9°锥角结构SPR探针放置在1.333折射率环境中，单独改变第二级17°锥角结构SPR探针折射率环境从1.333至1.365， matlab计算结果见图4(第一级9°锥角共振谷波长恒定在622nm，第二级17°锥角共振谷波长从733nm变化至912nm，灵敏度为5594nm/RIU)。

将分布式少模双芯光纤两级探针折射率环境同时从1.333变至1.385，matlab 计算结果与实验结果见图5(第一级9°锥角共振谷波长从622nm变化至763nm，灵敏度为2712nm/RIU，第二级17°锥角在折射率1.333-1.365折射率范围内，共振谷波长从733nm变化至912nm，灵敏度为5594nm/RIU)。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于少模双芯光纤的准分布式SPR传感器，其特征在于，包括第一级双芯光纤锥角结构SPR探针、第二级双芯光纤锥角结构SPR探针，第一微量注射泵、第二微量注射泵，第一针筒、第二针筒，第一废液池、第二废液池，超连续谱光源，光谱仪，计算机，将第一级双芯光纤锥角结构SPR探针、第二级双芯光纤锥角结构SPR探针分别置于反应池中，用第一微量注射泵、第二微量注射泵将对应第一针筒、第二针筒中的待测折射率溶液实时注入两反应池，测量后的废液分别排入第一废液池、第二废液池，超连续谱光源发出的宽谱光注入第一级SPR探针左侧入射光纤芯，具有不同研磨角度的两级探针分别发生SPR现象，信号光通过第二级探针右侧出射纤芯注入光谱仪采集两次SPR衰减光谱，并送入计算机进行数据处理。

2.如权利要求1中所述的基于少模双芯光纤的准分布式SPR传感器，其特征在于，第一级双芯光纤锥角结构SPR探针、第二级双芯光纤锥角结构SPR探针由包层直径为125μm的微结构双芯光纤制成，每根纤芯直径为6μm至9μm，使500nm-1000nm波长宽谱光传输模式为少量低阶模或基模，两根纤芯对称分布在光纤轴线两侧，两纤芯间距30μm至110μm。

3.如权利要求1中所述的基于少模双芯光纤的准分布式SPR传感器，其特征在于，第一级双芯光纤锥角结构SPR探针、第二级双芯光纤锥角结构SPR探针通过裸光纤端面精密研磨技术将两根双芯光纤端面研磨成设计角度及深度的同样锥角结构，反转后采用电极放电焊接的方式连接两根双芯光纤后镀膜加工制成，两级研磨角度设计为9°至20°之间的不同角度，角度间隔要保证两级SPR共振波长相差100nm以上，由计算机仿真设计确定。

4.如权利要求1中所述的基于少模双芯光纤的准分布式SPR传感器，其特征在于，所述的第一级双芯光纤锥角结构SPR探针，宽谱光源从其入射光纤芯注入后，在镀有50nm金膜的SPR传感面发生全反射并发生SPR现象，在镀有300nm金膜的反射面上反射后，进入出射光纤芯，第二级双芯光纤锥角结构SPR探针光信号传输方式相同。

5.如权利要求1中所述的基于少模双芯光纤的准分布式SPR传感器，其特征在于，所述的超连续谱光源，带宽范围覆盖500nm至1000nm波段。

6.如权利要求1中所述的基于少模双芯光纤的准分布式SPR传感器，其特征在于，所述的光谱仪为可见光波段光谱仪，检测范围覆盖500nm至1000nm波段。