CN214201179U - 共振角度可调包层型光纤spr传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光纤传感器领域，具体涉及一种共振角度可调包层型光纤SPR传感器；包括顺次构成光路的超连续谱光源、传感光纤，收光光纤，光谱仪，所述收光光纤的纤芯直径大于传感光纤(2)的纤芯直径，所述传感光纤表面设置有至少一个纤芯和包层直径均变大的球状膨胀体，所述球状膨胀体表面或球状膨胀体后方表面镀制有金属膜，所述球状膨胀体纤芯中的低阶模式变成高阶模式至包层中，构成包层型光纤SPR传感探针，采用本实用新型技术方案的共振角度可调包层型光纤SPR传感器，易于加工，便于控制共振角度和倏逝场强度，同时还不降低光纤的机械强度。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感器领域，具体涉及一种共振角度可调包层型光纤SPR传感器。
背景技术
表面等离子共振(SPR)传感器具有体积小，灵敏度高，抗电磁辐射和干扰，可实现远距离测量等优点，广泛应用于食品安全、生物医学、环境监测等方面。其原理为：当光波从光密介质射向光疏介质时，在两种介质的界面，将发生反射和折射，如果入射角大于临界角，将不会发生折射，反射光波与入射光波能量相等，这种现象称为全反射，当发生全反射时，入射光照射到两种介质分界面后，光波能量全部反射回光密介质，但并不是在界面上一下就反射回去的，而是在光疏介质中穿透很薄的一层，厚度在光波波长量级，这部分穿透的电磁波称为倏逝波，倏逝波在金属表面激发表面等离子体，在一定条件下，倏逝波与金属表面等离子体发生共振，此时，反射光的能量由于入射光的能量被部分吸收而下降，形成共振峰，当光疏介质折射率不同时，共振峰发生偏移，这就是光纤SPR传感器对待测介质(光疏介质)折射率参数进行检测的基本原理。
基于SPR原理的光纤传感器分为纤芯SPR传感器与包层SPR传感器。纤芯SPR传感器通常需要对纤芯包层进行腐蚀、研磨、侧抛使倏逝场泄露以进行传感，这使得光纤加工困难，还降低了光纤的机械强度；包层SPR传感器通常通过拉锥、异质芯结构和光纤光栅结构来将纤芯中的低阶模式耦合到高阶模式中，形成包层型光纤SPR传感器，虽然解决了纤芯SPR传感器加工困难的问题，但也存在降低光纤机械强度，难以控制共振角度和倏逝场强度的问题。特别是包层SPR传感器在生物医学、食品安全检测及化学检测领域有广泛应用需求，因此亟待解决上述问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种易于加工，便于控制共振角度和倏逝场强度，同时不降低机械强度的包层型光纤SPR传感器。
为达到上述目的，本实用新型提供一种共振角度可调包层型光纤SPR传感器技术方案：
包括超连续谱光源、外径相等的传感光纤和收光光纤，以及光谱仪，其中，传感光纤一端与收光光纤一端正对焊接，传感光纤的另一端与超连续谱光源相连，收光光纤的另一端与光谱仪相连；所述超连续谱光源发出的光由传感光纤接收并传输，收光光纤进行收光并将光信号传输到光谱仪进行信号采集和解调；所述收光光纤的纤芯直径大于传感光纤的纤芯直径，所述传感光纤表面设置有至少一个纤芯和包层直径均变大的球状膨胀体，所述球状膨胀体的纵向直径125μm-400μm，横向直径范围可以到0-2mm，所述球状膨胀体表面或球状膨胀体后方的包层表面镀制有金属膜，所述球状膨胀体纤芯中的低阶模式变成高阶模式至包层中，构成包层型光纤SPR传感探针。
本文所称球、球形均指球状膨胀体，上述共振角度可调是指相比于传统的多模光纤SPR传感器，SPR共振角度固定，本申请通过球状膨胀体不同的纵向直径来控制共振角度从而控制共振波长的范围，通过改变球状膨胀体的横向直径和球状膨胀体的数量来改变纤芯模式到包层模式强度的大小，从而控制共振谷深度，最终实现波分复用多通道的光纤SPR传感器。
作为优选方案，所述的传感光纤为单模光纤、渐变多模光纤或阶跃折射率多模光纤。所述的收光光纤是多模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为50μm至125μm，纤芯折射率可以为渐变型，也可以为阶跃型。
作为优选方案，所述超连续谱光源波长范围覆盖500nm至1000nm波段
作为优选方案，所述的传感光纤可在球后2cm处镀膜，纤芯中的低阶模传输到球形结构时变成高阶模至包层中，构成包层型光纤SPR探针；也可在球上镀制金属膜，通过控制球的纵向直径来控制共振角度从而控制共振波长的范围，通过改变球的横向直径和球的多少来改变纤芯模式到包层模式强度的大小，从而控制共振谷深度。
作为优选方案，所述的光纤SPR传感器可直接用PDMS、灌封胶、紫外固化胶或者其它聚合物封裹球形光纤，不仅提供有力封装，还可提供背景折射率进行温度传感。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型通过利用在光纤上制成不同大小的球或者不同个数的球，让光从纤芯中的低阶模变成高阶模至包层中，可在球上或者球后镀制金属膜，构成包层型光纤SPR传感器；通过调节球的纵向直径来控制光纤SPR共振角度进而调节共振波长的工作范围，通过改变球的横向直径、球的多少纤芯模式到包层模式强度的大小，从而控制共振谷深度，并调节灵敏度，最终实现波分复用多通道的光纤SPR传感器，解决了光纤型SPR传感器加工制作困难的问题，同时还可将单模光纤与渐变多模光纤结合，利用不同球的大小来控制入射角度来实现波分复用。避免了现有的光纤SPR传感器中难度较大的操作工艺和复杂的加工设备，如拉锥型、腐蚀型、端面研磨型、光栅型光纤SPR传感器，由于不需要将光纤包层去掉，不会对光纤有损伤，也不会破坏光纤的强度；
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、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：
图1为本实用新型的整体组成示意图；
图2为球后镀膜示意图；
图3为图2AA’、BB’和CC’平面对应的剖面图，其中图(a)为单模光纤剖面图对应于AA’平面；图(b)为单模光纤球形结构剖面图对应于BB’平面；图(c)为阶跃多模光纤剖面图对应于CC’平面；
图4为球上镀膜示意图；
图5为不同纵向直径传感器示意图；
图6为不同横向直径传感器示意图；
图7为双通道SPR传感器示意图；
图8为连续多个球传感器示意图。
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。
下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。
请参阅图1，附图中的元件标号分别表示：1为超连续谱光源，2为传感光纤，3为注光光纤，4为光谱仪。
本实用新型涉及一种共振角度可调包层型光纤SPR传感器及其制作方法，所涉及的超连续谱光源1波长范围需覆盖500nm至1000nm波段，可以是卤素灯宽谱光源。传感光纤2可以是单模光纤，也可以是渐变多模光纤和阶跃折射率多模光纤。收光光纤3是多模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为50μm至125μm，纤芯折射率可以为渐变型，也可以为阶跃型。
具体连接方式为：传感光纤2与收光光纤3正对焊接，传感光纤2的另一端与超连续谱光源1连接，收光光纤3的另一端与光谱仪4连接。超连续谱光源1发出的光由传感光纤2接收并传输，用直径较大的阶跃多模光纤作为收光光纤3进行收光并将光信号传输到光谱仪4进行信号采集和解调；将制作完成的SPR传感探针置于待测液体环境中，通过光谱仪4解调出的SPR共振波长，即可检测液体的折射率。
具体制作方法为：以单模光纤为例，步骤如下：
S1取一段足够长的单模光纤，纤芯直径8μm，包层直径125μm，用米勒钳将单模光纤一端剥除5cm的涂敷层，用无纺布蘸取酒精擦拭干净，将剥除了涂敷层的裸纤放入可控制位置及移动的左右光纤夹具，中间的放电电极及电火花机油盛装容器的光纤成球机里，光纤成球机里装有电火花机油，其粘度低，沸点高，绝缘性好，安全性高，将光纤置于可旋转的光纤夹具中，并将裸纤置于电火花机油中，在放电过程中，旋转的光纤夹具具有一定推力，使裸纤能在加热过程中旋转均匀受热，并利用油的浮力使光纤成球均匀，放电功率范围10-100w,此处优选为65w，放电时间范围0-100s，此处优选为15s，通过对裸纤进行多次放电，球的直径随着放电次数的增加而增加，然后取出制球完成后的光纤，将其用定长切割装置在球后切割2cm的长度做为传感区，另一端做切平处理后用酒精擦拭干净放置一旁备用；
S2取一段50cm长的阶跃多模光纤(纤芯直径105μm，包层直径125μm)，两端做切平处理后用酒精擦拭干净放置一旁备用；
S3将制备好的球形结构单模光纤传感区的一端与阶跃多模光纤的一端利用光纤焊接机自动焊接模式进行正对焊接，完成后用酒精擦拭干净并将传感区置于载玻片上，两端用无痕胶固定，将其放置于小型等离子溅射仪(ETD-2000，外部连接有膜厚监测仪)中，将球用载玻片覆盖避免镀上金膜，球后传感区环形镀制50nm金膜，共振角度可调包层型光纤SPR传感器制作完成；
S4按图1实验装置进行连接，将镀有金膜的传感区置于环境溶液中(折射率为1.333RIU-1.385RIU)，光源1发出的光在通过球形结构时，会将光纤纤芯中的低阶模式变成高阶模式至包层中，传输光在包层与金属薄膜界面发生全反射和表面等离子体共振，反射后的光信号经芯径为105μm阶跃折射率多模收光光纤3进入光谱仪4，光谱仪4将传输过来的反射光谱进行采集与解调，保存反射光谱数据，利用MATLAB仿真软件对数据进行处理，即可得到不同折射率溶液的反射光谱曲线，继而可判断传感器性能优劣情况。
可通过控制放电次数和光纤与放电电极的相对位置来改变球的纵向直径和横向直径以及球的个数，并在球上或者球后镀制金属膜来制成共振角度可调包层型光纤SPR传感器，如图4是金膜镀在球上，角度控制最好。图5是金膜镀在球后面，镀膜容易，光线角度控制范围稍小一点。图6的球状膨胀体为椭球，金膜镀在椭球后面，角度控制范围最小，但是光纤强度最大。图7是两个光纤型SPR传感器级联起来的情况，能够实现一次两通道测量，通过控制球的纵向直径来控制共振角度从而控制共振波长的范围，通过改变球的横向直径和球的多少如图8来改变包层中倏逝场的强度从而控制共振谷深度，最终实现波分复用多通道的光纤SPR传感器。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过以上优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，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，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种共振角度可调包层型光纤SPR传感器，包括超连续谱光源(1)、外径相等的传感光纤(2)和收光光纤(3)，以及光谱仪(4)，其中，传感光纤(2)一端与收光光纤(3)一端正对焊接，传感光纤(2)的另一端与超连续谱光源(1)相连，收光光纤(3)的另一端与光谱仪(4)相连；所述超连续谱光源(1)发出的光由传感光纤(2)接收并传输，收光光纤(3)进行收光并将光信号传输到光谱仪(4)进行信号采集和解调；其特征在于：所述收光光纤(3)的纤芯直径大于传感光纤(2)的纤芯直径，所述传感光纤(2)表面设置有至少一个纤芯和包层直径均变大的球状膨胀体，所述球状膨胀体的纵向直径125μm-400μm，横向直径范围可以到0-2mm，所述球状膨胀体表面或球状膨胀体后方的包层表面镀制有金属膜，所述球状膨胀体纤芯中的低阶模式变成高阶模式至包层中，构成包层型光纤SPR传感探针。
2.根据权利要求1所述的一种共振角度可调包层型光纤SPR传感器，其特征在于：所述的超连续谱光源(1)波长范围覆盖500nm至1000nm波段。
3.根据权利要求1所述的一种共振角度可调包层型光纤SPR传感器，其特征在于：所述的传感光纤(2)为单模光纤、渐变多模光纤或阶跃折射率多模光纤。
4.根据权利要求1所述的一种共振角度可调包层型光纤SPR传感器，其特征在于：所述的收光光纤(3)是多模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为50μm至125μm，纤芯折射率为渐变型或阶跃型。
5.根据权利要求1所述的一种共振角度可调包层型光纤SPR传感器，其特征在于：所述的传感光纤(2)在球后2cm处镀膜。
6.根据权利要求1所述的一种共振角度可调包层型光纤SPR传感器，其特征在于：所述的光纤SPR传感器表面封裹有PDMS。
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