RU2735631C1 - Fibre-optic plasmon sensor of liquid refraction index - Google Patents
Fibre-optic plasmon sensor of liquid refraction index Download PDFInfo
- Publication number
- RU2735631C1 RU2735631C1 RU2019129109A RU2019129109A RU2735631C1 RU 2735631 C1 RU2735631 C1 RU 2735631C1 RU 2019129109 A RU2019129109 A RU 2019129109A RU 2019129109 A RU2019129109 A RU 2019129109A RU 2735631 C1 RU2735631 C1 RU 2735631C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fibre
- fiber
- optic
- optical fiber
- polarization
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Устройство относится к волоконной оптике, в частности, к волоконно-оптическим датчикам для измерения показателя преломления и может быть использовано для высокоточного определения показателя преломления жидкостей, для обнаружения малых концентраций белков и других биологических объектов, в частности, для использования в диагностических системах, основанных на микрофлюидных технологиях.The device relates to fiber optics, in particular, to fiber-optic sensors for measuring the refractive index and can be used for high-precision determination of the refractive index of liquids, for detecting low concentrations of proteins and other biological objects, in particular, for use in diagnostic systems based on microfluidic technologies.
Все более широкое применение в настоящее время находят микрофлюидные устройства, т.н. «лаборатории на чипе», позволяющие быстро и надежно обнаруживать и количественно определять в образцах, полученных из биологических жидкостей пациента (кровь, моча, слюна и др.), биомаркеры тех или иных заболеваний. Эти устройства, предназначенные для экспресс-диагностики «у постели больного», должны отвечать особым требованиям: они должны быть компактны, мобильны, недороги, просты в изготовлении и использовании и обеспечивать получение стабильных показаний и, как следствие, надежных диагностических результатов вне лабораторных условий. Для этой цели могут быть использованы волоконно-оптические датчики показателя преломления, действие которых основано на явлении поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Известные конструкции волоконных чувствительных элементов, создающих условия генерации поверхностного плазмонного резонанса, и позволяющих использовать его для измерения показателя преломления, описаны в обзоре [Christophe Caucheteur, Tuan Guo, Jacques Albert, "Review of plasmonic fiber optic biochemical sensors: improving the limit of detection", Analytical Bioanalytical Chemistry (2015) 407: 3883. doi: 10.1007/s00216-014-8411-6].Microfluidic devices, the so-called. "Laboratories on a chip" that allow quickly and reliably detect and quantify biomarkers of certain diseases in samples obtained from biological fluids of a patient (blood, urine, saliva, etc.). These devices, designed for rapid bedside diagnostics, must meet special requirements: they must be compact, mobile, inexpensive, easy to manufacture and use, and provide stable readings and, as a result, reliable diagnostic results outside the laboratory. For this purpose, fiber-optic refractive index sensors can be used, the action of which is based on the phenomenon of surface plasmon resonance (SPR). Known designs of fiber sensitive elements that create conditions for the generation of surface plasmon resonance and allow it to be used to measure the refractive index are described in the review [Christophe Caucheteur, Tuan Guo, Jacques Albert, "Review of plasmonic fiber optic biochemical sensors: improving the limit of detection" , Analytical Bioanalytical Chemistry (2015) 407: 3883. doi: 10.1007 / s00216-014-8411-6].
Особый интерес, благодаря точности определения спектрального положения резонанса по сравнению с другими конструкциями, представляют датчики, использующие наклонную внутриволоконную брэгговскую решетку, которая обеспечивает возбуждение мод оболочки, эванесцентные поля которых напрямую взаимодействуют с поверхностью. На поверхность участка волокна, в котором записана решетка, наносят тонкий слой (30-50 нм) плазмонного металла, как правило, золота. На металлизированной поверхности волоконного световода вытекающие оболочечные моды возбуждают плазмоны, скорость распространения которых зависит от диэлектрической проницаемости внешней среды. Наиболее эффективной оказывается перекачка энергии в плазмон тех оболочечных мод, фазовая скорость которых вдоль поверхности волоконного световода совпадает со скоростью распространения плазмона. Такой эффект, называемый эффектом поверхностного плазмонного резонанса, находит отражение в спектре пропускания волоконного датчика в виде «перетяжки», спектральное положение которой, очевидно, зависит от показателя преломления внешней среды. Этот принцип лежит в основе работы волоконно-оптического плазмонного датчика на базе наклонной брэгговской решетки. В англоязычной литературе для обозначения этих сенсоров принята аббревиатура TFBG (Tilted Fiber Bragg Grating). Принцип работы сенсора состоит в детектировании изменений положения плазмонного резонанса на спектре пропускания. При изменении показателя преломления внешней среды, обусловленном наличием детектируемого вещества вблизи поверхности чувствительного элемента, положение характерной перетяжки на спектре изменяется. Качественное и количественное изменение спектра дает информацию и составе детектируемых в образце компонентов.Of particular interest, due to the accuracy of determining the spectral position of the resonance in comparison with other designs, are sensors using an inclined intra-fiber Bragg grating, which provides excitation of shell modes, whose evanescent fields directly interact with the surface. A thin layer (30-50 nm) of plasmonic metal, usually gold, is applied to the surface of the fiber section in which the grating is recorded. On the metallized surface of the fiber, the leaky cladding modes excite plasmons, whose propagation velocity depends on the dielectric constant of the external medium. The most effective is the transfer of energy into the plasmon of those cladding modes, the phase velocity of which along the fiber surface coincides with the plasmon propagation velocity. This effect, called the surface plasmon resonance effect, is reflected in the transmission spectrum of the fiber sensor in the form of a "waist", the spectral position of which obviously depends on the refractive index of the external medium. This principle underlies the operation of a fiber-optic plasmonic sensor based on an inclined Bragg grating. In the English-language literature, the abbreviation TFBG (Tilted Fiber Bragg Grating) is adopted to denote these sensors. The principle of operation of the sensor is to detect changes in the position of the plasmon resonance in the transmission spectrum. When the refractive index of the external medium changes, due to the presence of the detected substance near the surface of the sensitive element, the position of the characteristic waist in the spectrum changes. A qualitative and quantitative change in the spectrum gives information about the composition of the components detected in the sample.
Важная техническая проблема, которую приходится решать при конструировании датчиков подобного типа состоит в том, что спектр выходного сигнала сильно зависит от состояния поляризации возбуждающего излучения. В схеме с применением наклонных брэгговских решеток лишь одна из линейных составляющих поляризации может эффективно возбуждать плазмоны на поверхности волокна. Так как на сигнале в неплазмонном состоянии поляризации не наблюдается перетяжки, то при наложении на полезный сигнал происходит падение контраста в результирующем спектре. В результате, вследствие влияния «неплазмонной» части поляризации возбуждающего сигнала при использовании стандартного волоконного световода, наблюдается размытие положения резонанса. Кроме того, внешние механические и температурные воздействия способны провоцировать частичное перетекание поляризации сигнала из одного состояния в другое, что особенно заметно при изгибании световода. Все это делает выходной сигнал крайне неустойчивым, размывая положение резонанса.An important technical problem that has to be solved when designing sensors of this type is that the spectrum of the output signal strongly depends on the state of polarization of the exciting radiation. In a scheme with tilted Bragg gratings, only one of the linear polarization components can effectively excite plasmons on the fiber surface. Since no constriction is observed on the signal in the non-plasmonic polarization state, when superimposed on the useful signal, the contrast in the resulting spectrum decreases. As a result, due to the influence of the “non-plasmonic” part of the polarization of the exciting signal when using a standard optical fiber, the resonance position is blurred. In addition, external mechanical and thermal influences are capable of provoking a partial flow of signal polarization from one state to another, which is especially noticeable when the fiber is bent. All this makes the output signal extremely unstable, blurring the resonance position.
В известных технических решениях эту проблему пытаются решать введением в конструкцию датчика дополнительных устройств, предназначенных для контроля поляризации возбуждающего излучения.The known technical solutions try to solve this problem by introducing additional devices into the sensor design for controlling the polarization of the exciting radiation.
В серии работ Ж. Альбера и коллектива сотрудников задачу управления поляризацией решают применением контроллеров поляризации - как простых механических, так и более сложных - электронных. Например, в работе [Albert J et. al. "High resolution grating-assisted surface plasmon resonance fiber optic aptasensor", Methods 63, pp. 239-254, 2013] описан волоконный плазмонный датчик на базе наклонной брэгговской решетки, включающий чувствительный элемент - оптическое волокно с записанной в нем наклонной брэгговской решеткой, на которое нанесено золотое покрытие, волоконную линию и устройство, контролирующее поляризацию возбуждающего света. Решетка записана посредством облучения оптического волокна излучением импульсного эксимерного лазера на длине волны 248 нм через фазовую маску. Угол наклона штрихов от 4 до 10 градусов. Длина решетки от 1 до 2 см. Золотое покрытие толщиной около 50 нм нанесено вакуумным распылением последовательно с двух противоположных сторон или с помощью электролиза. Для управления поляризацией в конструкции использован расположенный перед чувствительной частью контроллер поляризации JDSU PR2000, однако указано, что также может быть использован обычный механический контроллер без существенных негативных последствий.In a series of works by J. Albert and a team of employees, the problem of polarization control is solved by using polarization controllers - both simple mechanical and more complex - electronic. For example, in [Albert J et. al. "High resolution grating-assisted surface plasmon resonance fiber optic aptasensor", Methods 63, pp. 239-254, 2013] describes a fiber plasmonic sensor based on an inclined Bragg grating, including a sensitive element - an optical fiber with an inclined Bragg grating recorded in it, on which a gold coating is applied, a fiber line and a device that controls the polarization of the exciting light. The grating is written by irradiating an optical fiber with a pulsed excimer laser at a wavelength of 248 nm through a phase mask. The angle of inclination of the strokes is from 4 to 10 degrees. The lattice length is from 1 to 2 cm. A gold coating about 50 nm thick is applied by vacuum sputtering successively from two opposite sides or by electrolysis. To control the polarization in the design, a JDSU PR2000 polarization controller was used located in front of the sensitive part, however, it is indicated that a conventional mechanical controller can also be used without significant negative consequences.
В заявке [CN 106289340 (А), опубл. 04.01.2017] предложен мультиканальный оптический TFBG-сенсор, в котором для решения проблем с поляризацией так же использован механический контроллер, а мультиканальность обеспечена применением трех последовательно соединенных сенсоров. Возможность корректной интерпретации результатов измерений, полученных с применением этого устройства, вызывает сомнение, поскольку наложение спектров пропускания трех последовательных сенсоров на близких длинах волн должно искажать картину резонанса, полученную на выходе.In the application [CN 106289340 (A), publ. 01/04/2017] proposed a multichannel optical TFBG sensor, in which a mechanical controller is also used to solve problems with polarization, and multichannel is provided by the use of three series-connected sensors. The possibility of correct interpretation of the measurement results obtained with the use of this device raises doubts, since the superposition of the transmission spectra of three consecutive sensors at close wavelengths should distort the resonance pattern obtained at the output.
Необходимо отметить, что использование механического контроллера не позволяет полностью решить проблему нестабильности работы устройства, поскольку не обеспечивает полной поляризации излучения. Это приводит к уширению и размытию положения резонанса на спектре, что негативно сказывается на разрешении сенсора. Наличие контроллера и необходимость его настройки снижает мобильность датчика и увеличивает время проведения анализа, при этом влияние спонтанных сдвигов поляризации вследствие механических перемещений и связанное с этим ухудшение разрешения сенсора преодолеть не удается. Все это ограничивает возможности использования таких сенсоров для проведения экспрессных диагностических исследований, особенно вне лаборатории «у постели больного».It should be noted that the use of a mechanical controller does not completely solve the problem of instability of the device operation, since it does not provide complete polarization of radiation. This leads to broadening and smearing of the position of the resonance in the spectrum, which negatively affects the sensor resolution. The presence of a controller and the need for its adjustment reduces the mobility of the sensor and increases the analysis time, while the influence of spontaneous shifts in polarization due to mechanical movements and the associated deterioration of the sensor resolution cannot be overcome. All this limits the possibilities of using such sensors for carrying out rapid diagnostic studies, especially outside the laboratory "at the patient's bedside."
В заявке [CN 104458658 (А), опубл. 25.03.2015] описан TFBG-биосенсор, в котором в качестве контроллера поляризации использована поляризующая призма. Необходимость включения в схему сенсора дополнительного элемента - оптического изолятора, а также технические трудности, связанные с передачей излучения из призмы в оптическое волокно, делают это техническое решение громоздким, энергетически не выгодным и неудобным для применения в экспресс-диагностике.In the application [CN 104458658 (A), publ. 03/25/2015] describes a TFBG biosensor, in which a polarizing prism is used as a polarization controller. The need to include an additional element in the sensor circuit - an optical isolator, as well as technical difficulties associated with the transmission of radiation from a prism to an optical fiber, make this technical solution cumbersome, energetically unprofitable and inconvenient for use in express diagnostics.
Одно из возможных решений проблемы стабилизации поляризации возбуждающего света описано в публикации [К.А. Томышев, О.В. Бутов «Плазмонный сенсор на оптическом волокне с сохранением поляризации» http://conf59.mipt.ru/static/reports_pdf/2563.pdf], взятой в качестве прототипа. Для стабилизации поляризации возбуждающего излучения в работе использовано специальное оптическое волокно с сохранением поляризации. Далее по тексту это волокно будем обозначать общепринятой англоязычной аббревиатурой PMF (polarization maintaining fiber). Сенсор выполнен в виде оптоволоконной линии, включающей чувствительный элемент, представляющий собой участок PMF, в котором записана наклонная брэгговская решетка в плоскости одной из осей волокна. Поверхность участка PMF с записанной в нем решеткой покрыта слоем золота толщиной около 35 нм. Для получения поляризованного оптического излучения в состав оптоволоконной линии включен участок оптического волокна-поляризатора, приваренный на входе в чувствительный элемент. Датчик характеризуется стабильностью показаний и хорошей воспроизводимостью результатов измерений показателя преломления при механических изгибах подводящего световода. Недостатком описанного устройства является необходимость изготовления брэгговской решетки в PMF, что связано со значительными техническими трудностями. Этот недостаток становится существенными при серийном производстве таких сенсоров для применения, например, в диагностических системах, «лаборатория на чипе», предназначенных для массового использования.One of the possible solutions to the problem of stabilizing the polarization of the exciting light is described in the publication [K.A. Tomyshev, O. V. Butov "Plasmonic sensor on optical fiber with polarization retention" http://conf59.mipt.ru/static/reports_pdf/2563.pdf], taken as a prototype. To stabilize the polarization of the exciting radiation, a special optical fiber with polarization retention was used. Hereinafter, this fiber will be denoted by the generally accepted English abbreviation PMF (polarization maintaining fiber). The sensor is made in the form of a fiber-optic line, including a sensitive element, which is a PMF section, in which an inclined Bragg grating is recorded in the plane of one of the fiber axes. The surface of the PMF section with the grating recorded in it is covered with a gold layer about 35 nm thick. To obtain polarized optical radiation, a section of an optical fiber-polarizer, welded at the input to the sensitive element, is included in the optical fiber line. The sensor is characterized by stability of readings and good reproducibility of the results of measurements of the refractive index at mechanical bends of the supply fiber. The disadvantage of the described device is the need to manufacture a Bragg grating in PMF, which is associated with significant technical difficulties. This drawback becomes significant in the serial production of such sensors for use, for example, in diagnostic systems, "laboratory on a chip", intended for mass use.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым волоконно-оптическим плазмонным датчиком, - упрощение технологии изготовления такого устройства на основе наклонной брэгговской решетки с сохранением его мобильности и стабильности сигнала независимо от возможных механических воздействий, что позволит использовать его для диагностических исследований по технологии «лаборатория на чипе» непосредственно у постели больного.The technical problem solved by the proposed fiber-optic plasmon sensor is to simplify the manufacturing technology of such a device based on an inclined Bragg grating while maintaining its mobility and signal stability regardless of possible mechanical influences, which will allow it to be used for diagnostic studies using the “laboratory on a chip” technology directly at the patient's bedside.
Техническая проблема решена предлагаемым волоконно-оптическим плазмонным датчиком показателя преломления жидкости, включающим участок оптического волокна-поляризатора и чувствительный элемент, представляющий собой оптическое волокно с записанной в нем наклонной брэгговской решеткой, поверхность которого на участке с наклонной брэгговской решеткой покрыта слоем золота. Предлагаемый волоконно-оптический плазмонный датчик показателя преломления жидкости дополнительно включает участок оптического волокна с сохранением поляризации, размещенный между участком оптического волокна-поляризатора и чувствительным элементом, при этом оптическое волокно чувствительного элемента, в котором записана наклонная брэгговская решетка, представляет собой стандартное изотропное оптическое волокно.The technical problem is solved by the proposed fiber-optic plasmon sensor of the refractive index of a liquid, including a section of an optical fiber-polarizer and a sensitive element, which is an optical fiber with an oblique Bragg grating recorded in it, the surface of which is coated with a layer of gold in the area with an inclined Bragg grating. The proposed fiber-optic plasmonic sensor of the refractive index of a liquid additionally includes a section of an optical fiber with retention of polarization, located between the section of the optical fiber-polarizer and the sensitive element, while the optical fiber of the sensitive element, in which an inclined Bragg grating is recorded, is a standard isotropic optical fiber.
Следующие иллюстрации поясняют сущность заявляемого технического решения:The following illustrations explain the essence of the proposed technical solution:
Фиг. 1. Схема патентуемого волоконно-оптического плазмонного датчика показателя преломления жидкости.FIG. 1. Diagram of a patentable fiber-optic plasmon sensor for the refractive index of a liquid.
Фиг. 2. Сравнение отклонения положения плазмонного резонанса при изгибах для патентуемого волоконно-оптического плазмонного датчика показателя преломления жидкости и датчика по прототипу:FIG. 2. Comparison of the deviation of the position of the plasmon resonance at bends for the patented fiber-optic plasmon sensor of the refractive index of the liquid and the sensor according to the prototype:
А - патентуемый волоконно-оптический плазмонный датчик показателя преломления жидкости;A - patented fiber-optic plasmon sensor for the refractive index of a liquid;
Б - датчик по прототипу.B - prototype sensor.
По оси абсцисс - порядковый номер эксперимента (измерения), соответствующего различным положениям и уровням деформации подводящего волокна, по оси ординат - рассчитанное изменение положения плазмонного резонанса.The abscissa is the ordinal number of the experiment (measurement) corresponding to different positions and levels of deformation of the supply fiber; the ordinate is the calculated change in the position of the plasmon resonance.
Как схематически показано на фиг. 1, устройство патентуемого волоконно-оптического плазмонного датчика включает участок оптического волокна-поляризатора 1, соединенный сварным соединением 2 с участком оптического волокна с сохранением поляризации 3, который, в свою очередь, соединен через сварное соединение 4 с чувствительным элементом 5.As shown schematically in FIG. 1, the device of the fiber-optic plasmon sensor being patented includes a section of an optical fiber-polarizer 1, connected by a
Оптическое волокно-поляризатор характеризуется тем, что одна из его осей обладает высоким коэффициентом затухания сигнала, другая - малыми потерями. Коэффициент затухания ортогональной поляризации - не менее 20 дБ/м на длине волны 1550 нм. Вследствие подавления ортогональной поляризации в чувствительный элемент попадает линейно поляризованное излучение. Включение в состав устройства участка волокна-поляризатора 1, в отличие от широко применяемых контроллеров, обеспечивает практически полную линейную поляризацию излучения, направляемого на чувствительный элемент.An optical fiber-polarizer is characterized by the fact that one of its axes has a high signal attenuation coefficient, the other has low losses. The attenuation coefficient of orthogonal polarization is not less than 20 dB / m at a wavelength of 1550 nm. Due to the suppression of orthogonal polarization, linearly polarized radiation enters the sensing element. The inclusion of a section of the fiber-polarizer 1 in the device, in contrast to widely used controllers, provides almost complete linear polarization of radiation directed to the sensitive element.
Оптическое волокно-поляризатор получают по технологии, аналогичной известной технологии создания PMFAn optical fiber-polarizer is obtained using a technology similar to the known PMF technology.
[http://www.fujikura.co.jp/eng/resource/pdf/16pnb04.pdf], при этом подбирая волноводные параметры (толщина сердцевины или разница показателей преломления между сердцевиной и оболочкой) для одной из двух осей двулучепреломления таким образом, чтобы по этой оси коэффициент затухания был на уровне не менее 10 дБ/м. Длину участка волокна-поляризатора выбирают таким образом, чтобы эффективное подавление ортогональной поляризации было на уровне не менее 20 дБ. На практике достаточно использовать участок волокна-поляризатора длиной 1-1,5 м. В наших экспериментах использовано оптическое волокно-поляризатор собственного изготовления длиной 1 м с эффективным подавлением ортогональной поляризации 25 дБ/м.[http://www.fujikura.co.jp/eng/resource/pdf/16pnb04.pdf], while selecting the waveguide parameters (core thickness or the difference in refractive indices between the core and the cladding) for one of the two birefringence axes in this way, so that the attenuation coefficient along this axis is at least 10 dB / m. The length of the section of the fiber-polarizer is chosen so that the effective suppression of orthogonal polarization is at least 20 dB. In practice, it is sufficient to use a section of a fiber-polarizer 1-1.5 m long. In our experiments, we used an optical fiber-polarizer of our own manufacture with a length of 1 m with an effective suppression of orthogonal polarization of 25 dB / m.
Оптическое волокно с сохранением поляризации 3, размещенное между участком волокна-поляризатора 1 и чувствительным элементом 5 и соединенное с ними сварными соединениями 2 и 4 соответственно, выполняет функцию передачи линейно поляризованного света от волокна-поляризатора к чувствительному элементу, обеспечивая сохранение линейной поляризации, что особенно важно в условиях, когда невозможно исключить влияние на сенсор внешних воздействий, которые могут вызвать изгибы оптического волокна. Для изготовления заявляемого устройства могут быть использованы известные марки PMF, например, "Fujikura Panda Fiber" или "Corning Panda Fiber". Длину участка оптического волокна с сохранением поляризации выбирают таким образом, чтобы минимизировать длину участка изотропного оптического волокна, в котором записана брэгговская решетка. На практике достаточно использовать участок оптического волокна с сохранением поляризации длиной 0,1-0,5 метра. В наших экспериментах использован участок длиной 0,3 метра волокна собственного изготовления с эллиптической сердцевиной с характерной длиной биений 5 мм.An optical fiber with preservation of
Чувствительный элемент 5 может быть изготовлен на основе любого стандартного изотропного одномодового оптического волокна, пригодного для записи брэгговских решеток (например, продукты компаний Corning, Draka Comteq, Fujikura или Furukawa). В наших экспериментах использован стандартный телекоммуникационный волоконный световод Corning SMF-28. Для повышения эффективности записи брэгговской решетки световод предварительно насыщают молекулярным водородом. Брэгговскую решетку с наклонными штрихами записывают, как описано в работе [Albert J. et. al. "High resolution grating-assisted surface plasmon resonance fiber optic aptasensor", Methods 63, pp. 239-254, 2013] с помощью фазовой маски и излучения эксимерного ArF лазера с длиной волны генерации 193 нм. Длина решетки 0,8-1,5 см, угол наклона штрихов 5°-11°. Для обеспечения наклона штрихов маску вместе со световодом располагают под углом к плоскости фронта лазерного излучения. После записи решетки образец покрывают слоем золота толщиной 35-50 нм методом термического распыления металла в вакуумной камере. Для обеспечения лучшей адгезии основного слоя золота к поверхности световода с помощью дополнительного испарителя наносят промежуточный слой хрома толщиной 2-3 нм. Равномерное осаждение слоя на цилиндрическую поверхность волоконного световода обеспечивают его равномерным вращением вокруг своей оси над испарителем, как описано в работе [Butov, O.V., Golant, K.M., Tomyshev, K.A., "Recoating of Fiber Bragg Gratings with metals", 11-th International Symposium on SiO2, Advanced Dielectrics and Related Devices (2016)].The
Важно отметить, что технология записи брэгговских решеток в стандартном волокне значительно проще, чем в волокне с сохранением поляризации, как в прототипе. Во-первых, фоточувствительность PMF крайне неоднородна по объему и затруднена наведенным двулучепреломлением, а во-вторых в волокнах, сохраняющих поляризацию, необходимо при записи точно ориентировать наклон штрихов решетки относительно осей двулучепреломления волокна, что является нетривиальной задачей. Применение стандартного оптического волокна для изготовления чувствительного элемента вместо PMF не только позволяет упростить технологию изготовления сенсора, но и обеспечить хорошую воспроизводимость и стандартизацию его характеристик, что имеет большое значение при изготовлении серийных изделий.It is important to note that the technology of writing Bragg gratings in a standard fiber is much simpler than in a fiber with polarization retention, as in the prototype. Firstly, the PMF photosensitivity is extremely inhomogeneous in volume and is hindered by induced birefringence, and secondly, in fibers that retain polarization, it is necessary to accurately orient the slope of the grating grooves relative to the fiber birefringence axes when recording, which is a nontrivial problem. The use of a standard optical fiber for manufacturing a sensitive element instead of PMF not only simplifies the sensor manufacturing technology, but also ensures good reproducibility and standardization of its characteristics, which is of great importance in the manufacture of commercial products.
В качестве источника возбуждающего света 6 (см. фиг. 1) используют суперлюминесцентный диод, представляющий собой широкополосный источник оптического сигнала с центральной длиной волны в диапазоне 1530-1560 нм и шириной полосы 60-100 нм. При попадании света в участок оптического волокна-поляризатора 1 свет линейно поляризуется, и на выходе из него излучение является линейно поляризованным. Затем оно попадает в участок оптического волокна с сохранением поляризации 3, которое доводит линейно-поляризованный свет до чувствительного элемента 5, сохраняя его поляризацию. При попадании света в область чувствительного элемента возбуждаются поверхностные плазмоны, и на спектре пропускания наблюдается плазмонный резонанс. Спектры пропускания сенсора измеряют с помощью анализатора оптического спектра 7 и обрабатывают с использованием программно-математического аппарата, определяющего положение плазмонного резонанса по измеренным спектрам.As a source of exciting light 6 (see Fig. 1), a superluminescent diode is used, which is a broadband optical signal source with a central wavelength in the range 1530-1560 nm and a bandwidth of 60-100 nm. When light enters the section of the optical fiber-polarizer 1, the light is linearly polarized, and at the exit from it, the radiation is linearly polarized. Then it enters the section of the optical fiber with the preservation of
Для проведения сравнительных измерений датчик по прототипу и патентуемый волоконно-оптический плазмонный датчик показателя преломления жидкости устанавливают параллельно таким образом, что любое внешнее механическое воздействие, имитирующее изгиб подводящего оптического кабеля сенсора (участок между витком волокна-поляризатора 1 и чувствительным элементом 5), с одинаковой степенью передается на оба погруженных в кювету с водой сенсора. Спектры фиксируют при различных положениях подводящего волокна. Результаты измерений показаны на фиг. 2, где сопоставлены отклонения положения плазмонного резонанса от стационарного состояния при изгибе волокна для патентуемого волоконно-оптического плазмонного датчика показателя преломления жидкости (кривая А) и для датчика по прототипу (кривая Б). По оси абсцисс - порядковый номер эксперимента (измерения), соответствующего различным положениям и уровням деформации подводящих волокон, по оси ординат -рассчитанное изменение положения плазмонного резонанса. Как видно из фиг. 2, патентуемый волоконно-оптический плазмонный датчик показателя преломления жидкости, чувствительный элемент которого изготовлен с использованием стандартного оптического волокна, проявляет стабильность при изгибах подводящего световода, сопоставимую с датчиком по прототипу, чувствительный элемент которого выполнен из оптического волокна с сохранением поляризации. Этот эффект, обусловленный сочетанием в конструкции патентуемого волоконно-оптического плазмонного датчика показателя преломления жидкости участков волокна-поляризатора и волокна с сохранением поляризации, позволяет использовать его не только в условиях лаборатории, где можно обеспечить его неподвижность, но и в мобильных устройствах, предназначенных для диагностических исследований «у постели больного».For comparative measurements, the prototype sensor and the patented fiber-optic plasmon sensor of the refractive index of the liquid are installed in parallel in such a way that any external mechanical effect simulating the bending of the input optical cable of the sensor (the section between the turn of the polarizer fiber 1 and the sensitive element 5), with the same degree is transmitted to both sensors immersed in a cuvette with water. The spectra are recorded at different positions of the supply fiber. The measurement results are shown in FIG. 2, which compares the deviations of the position of the plasmon resonance from the steady state when bending the fiber for the patented fiber-optic plasmon sensor of the refractive index of a liquid (curve A) and for the sensor according to the prototype (curve B). The abscissa is the ordinal number of the experiment (measurement) corresponding to the different positions and levels of deformation of the supply fibers, the ordinate is the calculated change in the position of the plasmon resonance. As seen in FIG. 2, the patented fiber-optic plasmon sensor of the refractive index of a liquid, the sensing element of which is made using a standard optical fiber, exhibits stability when bending the supply light guide, comparable to the sensor according to the prototype, the sensitive element of which is made of optical fiber with polarization retention. This effect, due to the combination in the design of the patented fiber-optic plasmonic sensor of the refractive index of the liquid of the sections of the fiber-polarizer and the fiber with retention of polarization, makes it possible to use it not only in laboratory conditions, where it can be ensured immobility, but also in mobile devices intended for diagnostic bedside studies.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019129109A RU2735631C1 (en) | 2019-09-16 | 2019-09-16 | Fibre-optic plasmon sensor of liquid refraction index |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019129109A RU2735631C1 (en) | 2019-09-16 | 2019-09-16 | Fibre-optic plasmon sensor of liquid refraction index |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2735631C1 true RU2735631C1 (en) | 2020-11-05 |
Family
ID=73398405
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019129109A RU2735631C1 (en) | 2019-09-16 | 2019-09-16 | Fibre-optic plasmon sensor of liquid refraction index |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2735631C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2763847C1 (en) * | 2021-05-28 | 2022-01-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» | Fiber optical sensors for determining doxycycline in aqueous solution, methods for their production and method for determining doxycycline in aqueous solution with their help |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104458658A (en) * | 2014-11-07 | 2015-03-25 | 中国计量学院 | Tilted fiber Bragg grating (TFBG)-based surface plasmon resonance (SPR) biosensor |
| CN106289340A (en) * | 2016-11-02 | 2017-01-04 | 中国计量大学 | A kind of multichannel light fiber sensor based on TFBG SPR |
-
2019
- 2019-09-16 RU RU2019129109A patent/RU2735631C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104458658A (en) * | 2014-11-07 | 2015-03-25 | 中国计量学院 | Tilted fiber Bragg grating (TFBG)-based surface plasmon resonance (SPR) biosensor |
| CN106289340A (en) * | 2016-11-02 | 2017-01-04 | 中国计量大学 | A kind of multichannel light fiber sensor based on TFBG SPR |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| J. ALBERT et al. "High resolution grating-assisted surface plasmon resonance fiber optic aptasensor", Methods 63, pp. 239-254, 2013, страница 240, глава 2, абзацы 1-2; страница 243, глава 3, абзац 4; страница 248, глава 5, абзац 4. * |
| К.А. ТОМЫШЕМ, О.В. БУТОВ "Плазмонный сенсор на оптическом волокне с сохранением поляризации", 59-я Всероссийская научная конференция МФТИ с международным участием, 2016 г., страница 1, абзац 4; страница 2, абзацы 1, 2, 4; рисунок 2. * |
| К.А. ТОМЫШЕМ, О.В. БУТОВ "Плазмонный сенсор на оптическом волокне с сохранением поляризации", 59-я Всероссийская научная конференция МФТИ с международным участием, 2016 г., страница 1, абзац 4; страница 2, абзацы 1, 2, 4; рисунок 2. J. ALBERT et al. "High resolution grating-assisted surface plasmon resonance fiber optic aptasensor", Methods 63, pp. 239-254, 2013, страница 240, глава 2, абзацы 1-2; страница 243, глава 3, абзац 4; страница 248, глава 5, абзац 4. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2763847C1 (en) * | 2021-05-28 | 2022-01-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» | Fiber optical sensors for determining doxycycline in aqueous solution, methods for their production and method for determining doxycycline in aqueous solution with their help |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhao et al. | Fiber-optic SPR sensor for temperature measurement | |
| Jorgenson et al. | Control of the dynamic range and sensitivity of a surface plasmon resonance based fiber optic sensor | |
| Gupta et al. | Surface plasmon resonance‐based fiber optic sensors: principle, probe designs, and some applications | |
| JP2804073B2 (en) | Apparatus and method for measuring the refractive index of a substance | |
| Zibaii et al. | Non-adiabatic tapered optical fiber sensor for measuring the interaction between α-amino acids in aqueous carbohydrate solution | |
| Novais et al. | Optical fiber tip sensor for the measurement of glucose aqueous solutions | |
| US7541573B2 (en) | Optical sensors for sensing the refractive index of fluid samples | |
| González-Vila et al. | Narrowband interrogation of plasmonic optical fiber biosensors based on spectral combs | |
| CN109187440B (en) | Single-mode-few-mode/multi-mode fiber SPR sensor based on mode excitation | |
| Zakaria et al. | Fabrication and simulation studies on D-shaped optical fiber sensor via surface plasmon resonance | |
| Patil et al. | Comprehensive and analytical review on optical fiber refractive index sensor | |
| US6137576A (en) | Optical transducers based on liquid crystalline phases | |
| JP2008500536A (en) | Optical interrogation device for reducing parasitic reflection and method for removing parasitic reflection | |
| Hu et al. | A narrow groove structure based plasmonic refractive index sensor | |
| Xue et al. | Investigation of a D-shaped plastic optical fiber assisted by a long period grating for refractive index sensing | |
| Zhu et al. | Partially gold-coated tilted FBGs for enhanced surface biosensing | |
| RU2735631C1 (en) | Fibre-optic plasmon sensor of liquid refraction index | |
| Kim et al. | Fiber-optic surface plasmon resonance for vapor phase analyses | |
| CN110823834B (en) | High-sensitivity SPR refractive index sensor based on plastic optical fiber periodic narrow groove structure | |
| Uma Kumari et al. | Development of a high sensitive refractive index sensor based on evanescent wave absorbance effect in reflective mode for ocean observation | |
| Benoit et al. | Effect of capillary properties on the sensitivity enhancement in capillary/fiber optical sensors | |
| Tomyshev et al. | Polarization stable plasmonic sensor based on tilted fiber Bragg grating | |
| Raghuwanshi et al. | Symmetric Versus Asymmetric Coated (Half Coated) Fiber Optic SPR Sensor | |
| Tai et al. | Sensitive handheld refractometer by using combination of a tapered fiber tip and a multimode fiber | |
| Pluciński et al. | Response of a fiber-optic Fabry-Pérot interferometer to refractive index and absorption changes: modeling and experiments |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner |