CN211697496U

CN211697496U - Spr折射率传感结构

Info

Publication number: CN211697496U
Application number: CN202020311608.7U
Authority: CN
Inventors: 马小翠; 吕欢祝; 秦亮; 钟文博
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2030-03-13

Abstract

本实用新型公开了一种SPR折射率传感结构，包括纤芯、包层、膜层；本实用新型具备抗电磁干扰性能；光纤是由石英材料做成，不导电，光在光纤内入射、传输，与外界的电磁隔绝，探测器接受的光信号不受电磁干扰，测量结果较为准确；本实用新型达到效用最大化；设计的传感长度刚好使传感谱的共振峰达到最大值；本使用细心提高折射率传感灵敏度；从棱镜SPR转换至光纤SPR，SPR损耗峰波长红移,折射率灵敏度显著增大。

Description

SPR折射率传感结构

技术领域

本实用新型属于光纤技术领域，具体涉及一种SPR折射率传感结构。

背景技术

不同液体的理化参数，如浓度、密度、温度、电磁特性、溶质物质等重要参数的变化，都会引起自身折射率的变化。因此，基于液体折射率测量同步获取液体其他理化参数的方法，已在化工、医药、食品饮料、生物监测、化学污染物分析等领域得到广泛应用。测量液体折射率的传统方法主要有分光仪、阿贝折射仪和电荷耦合元件(CCD)测量等，这些方法有各自的突出优势，但还存在着稳定性差、在恶劣条件下远程实时监控和智能化等方面很难实现的缺点。随着折射率传感器应用范围在环境监测、生命科学、医学检测等各个领域的不断渗透，并且在其中发挥着越来越重要的作用，折射率传感器要满足高灵敏度、高分辨率、小尺寸、响应速度快、成本低廉等要求。

传统的工业液体折射率测量方式主要是基于表面等离子体的棱镜折射率传感器，其工作原理如下：

将待测溶液与镀有高反射率的金属薄膜面接触；

让入射光通过棱镜照射到金属薄膜上，使光在棱镜与金属薄膜界面发生全反射，使消逝波渗透到金属薄膜内；

当金属中自由电子产生的表面等离子体与消逝波的频率相等时两者发生共振，根据共振谱解析得出待测溶液的折射率。

传统技术的缺点是：

1、传感探头尺寸大、测量机构复杂；

2、易受外界因素影响，如电磁干扰；

3、不能实现在线远程测量；

导致原因：

如图1所示：图中示出了偏振片51；棱镜52；金属层53；光疏介质54。

1、入射光从棱镜52一侧入射，为满足入射光在棱镜52与金属层53界面发生全反射，入射光装置、探测装置与棱镜底面呈55°-60°，使整个装置体积较大，即探测器端头尺寸较大。

2、光的输入与输出未与外界隔离，易受外界电磁干扰，测量结果不准确。

3、棱镜的固有材料和半圆形结构，使入射光装置、偏振片51、探测装置等无法固定在一起，远程测量时，复杂的装置和安装过程不支持实时、多点测量。

为了解决以上问题我方研发出了一种SPR折射率传感结构。

发明内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种SPR折射率传感结构。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

SPR折射率传感结构，包括：

塑料光纤；塑料光纤包括纤芯和包层，包层包覆纤芯设置；

膜层；在包层的一段上设置有U型的裸露区域，在裸露区域的底部裸露出纤芯，膜层设置在裸露区域裸露处的纤芯表面。

优选地，膜层为金膜层。

优选地，膜层厚度为55nm，膜层的长度为2.2cm。

优选地，塑料光纤的直径为600um，纤芯的直径为125um，裸露区域的长度为4cm。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的SPR折射率传感结构；

1.传感尺寸小型化；引入光纤SPR，光在纤芯内传输时，满足全反射条件，反射结构集中于细小纤芯中，入射光和出射光可在同一平面，且光纤结构纤细，相较于棱镜，大大减小了体积(比现有技术结构尺寸小2个量级)，传感器尺寸大大减小,结构紧凑。

2.抗电磁干扰；光纤是由石英材料做成，不导电，光在光纤内入射、传输，与外界的电磁隔绝，探测器接受的光信号不受电磁干扰，测量结果较为准确。

3.在线远程探测；光纤SPR传感中入射光、输出光、反射结构纤以及膜层可以连接在一起，形成一个整体，在结构设计好封装后，可以达到在线使用的效果；加上光纤具有传输光信号的功能，可以进行长距离传输，实现在线远程探测。

4.效用最大化；设计的传感长度刚好使传感谱的共振峰达到最大值。

5.提高折射率传感灵敏度；从棱镜SPR转换至光纤SPR，SPR损耗峰波长红移,折射率灵敏度显著增大(此结构较传统棱镜SPR传感器传感灵敏度高1556.5nm/RIU)。

附图说明

图1为棱镜折射率传感器原理示意图；

图2为本申请的结构示意图；

图3为本申请的横截面结构示意图；

图4为本申请中光纤SPR横向模场分布图；

图5为本申请中的实验系统示意图；

图6为不同折射率对应的光纤SPR传感器归一化透射光谱；

图7为光纤SPR谐振波长随外界折射率的变化关系图。

图中：1-纤芯；2-包层；21-裸露区域；3-膜层；41-光纤传输基模；42-共振峰模；51-偏振片；52-棱镜；53-金属层；54-光疏介质。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图2所示，SPR折射率传感结构，包括：

塑料光纤；塑料光纤包括纤芯1和包层2，包层2包覆纤芯1设置；

膜层3；在包层2的一段上设置有U型的裸露区域21，在裸露区域21的底部裸露出纤芯1，膜层3设置在裸露区域21裸露处的纤芯1表面。

膜层3为金膜层3。

膜层3厚度为55nm(随着金膜厚度的逐渐增加，SPR共振谷深度也逐渐加深。但当金膜厚度继续增加大于55nm时，相应的SPR谐振峰非常平坦，难以准确观察，所以金膜厚度优选55nm)，膜层3的长度为2.2cm(当传感区长度大于等于2.2cm时，共振谷的深度已经基本达到饱和，继续增加传感区的长度对共振谷深度的影响变得很小，但会成倍增加传感区的体积以及制作成本，因此，传感区的长度最优选取为2.2cm。)。

塑料光纤的直径为600um，纤芯1的直径为125um，裸露区域21的长度为4cm。

本申请的制作方法为：

如图3所示，采用光纤直径d1为600um的塑料包层2石英光纤，光纤的数值孔径为0.32。利用机械轮抛光技术对光纤进行抛光处理，将光纤一小段区域的涂覆层、包层2等去掉，形成裸露区域21，裸露出光纤纤芯1(纤芯1直径d2为125um)，且抛磨的长度d3为4cm，传感区长度d4为2.2cm。将抛光后的光纤放入盛有纯丙酮溶液的容器中，超声清洗15min，再用无水乙醇超声清洗5min后取出吹干备用。传统镀膜材料是银膜，银膜的传感性能较好，但容易被氧化，影响测量效果，不具有实用性。所以本申请选用传感性能较好，且不会被氧化的金材料，将金薄膜层3采用磁控溅射的方法溅射在裸露的光纤纤芯1表面，此方法效率高且镀膜表面平整均匀，在已切好的端面沉积一层厚度d5为55nm的金膜层3。

当入射光在纤芯1与金膜界面发生全反射时，部分入射光波能够渗入金属中，这部分光波叫做倏逝波。此倏逝波将在金属中形成倏逝场，倏逝场的能量密度分布会随着穿透深度的增加而成指数形式在衰减。当存在这种倏逝波扰动的情况下，将会打破金表面的电子平衡状态，在金薄膜与环境介质的界面上，局限于金表面上的等离子振荡会产生一种表面等离子体波。当倏逝波与表面等离子体波具有相同的频率和波矢，并且传播方向一致时，会产生峰值较大的共振峰(如图4所示，示出了光纤传输基模41；共振峰模42)。当光传输到光纤光谱仪后会形成SPR共振光谱曲线，当改变金膜表面环境介质的折射率时，形成的SPR曲线的共振峰位置会发生改变，以此实现对外界环境介质参量的检测。

如图5所示，示出了光纤SPR传感系统；

光纤探针一端通过SMA905光纤活接头连接卤素光源(波长范围360～1500nm)，其中，光源自带有可调节的光纤准直透镜，通过调节使光能最大限度的耦合到光纤中。光纤探针的另一端通过FC光纤活接头连接光谱仪(350～1100nm)，将光谱仪的检测波长调节到400～1000nm，波长分辨率调节到0.1nm，并将光谱仪调节到合适的光强检测强度。将光纤探针的传感区域浸入到盛有恒温(20℃)的甘油溶液的烧杯中(图中未画出)并固定。

利用甘油和去离子水配制了不同质量分数的甘油溶液，甘油浓度折射率对照如表1所示。在恒温(20℃)条件下，搭建光纤SPR传感系统对甘油溶液折射率进行测量，结果如图6所示。可以看出随着溶液折射率的增大，SPR谐振峰峰值波长向长波方向移动，同时带宽变窄，透射深度增加。

	浓度(％)	有效折射率
			1	0	1.334
2	9.94	1.346
			3	19.95	1.358
4	29.92	1.372
			5	39.86	1.386

表1

SPR谐振波长随折射率的变化关系如图7所示。对数据进行二次多项式拟合，可以得到传感器在甘油溶液折射率为1.334—1.396范围内，其折射率灵敏度为3673.8nm/RIU。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims

1.SPR折射率传感结构，其特征在于，包括：

塑料光纤；塑料光纤包括纤芯和包层，包层包覆纤芯设置；

2.根据权利要求1所述的SPR折射率传感结构，其特征在于，膜层为金膜层。

3.根据权利要求2所述的SPR折射率传感结构，其特征在于，膜层厚度为55nm，膜层的长度为2.2cm。

4.根据权利要求3所述的SPR折射率传感结构，其特征在于，塑料光纤的直径为600um，纤芯的直径为125um，裸露区域的长度为4cm。