一種終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在于：包括寬譜光源、3dB光纖耦合器、微透鏡耦合器、光纖傳感單元和光譜儀，寬譜光源與光纖耦合器連接，光纖耦合器與微透鏡耦合器連接，微透鏡耦合器與光纖傳感單元連接，光纖耦合器同時與光譜儀連接。光纖傳感單元由一段螺旋芯光纖和一段側(cè)面鍍有敏感金屬薄膜且終端面鍍有鏡面反射膜的無芯光纖組成。本發(fā)明通過在光譜儀中檢測到的表面等離子體共振波譜來判斷傳感單元中無芯光纖的外介質(zhì)的折射率。當(dāng)無芯光纖的外介質(zhì)的折射率增大時，共振波長增大；外介質(zhì)折射率減小時，共振波長減小。本發(fā)明相比于傳統(tǒng)光纖表面等離子體共振傳感器能量利用率高，靈敏度高，使用方便。
【專利說明】
一種終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光纖表面等離子體共振傳感器的裝置，具體涉及一種終端反射型螺旋 芯光纖表面等離子體共振傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前光纖表面等離子體共振傳感器分為在線傳輸型和終端反射型兩種。其中，在 線傳輸型的光纖表面等離子體共振傳感器的敏感單元在光纖的側(cè)面，在使用時相比較于終 端反射型的光纖表面等離子共振傳感器非常不方便。當(dāng)下，已經(jīng)存在的終端反射型光纖表 面等離子共振傳感器以錐形或楔形探針類為主。這兩種傳感結(jié)構(gòu)的敏感面是光纖的終端 面，對終端面的工藝要求很高。加工終端面一般有化學(xué)腐蝕法，拉錐法和研磨法三種。其中， 化學(xué)腐蝕法會因為光纖原子結(jié)構(gòu)的各向異性而導(dǎo)致腐蝕時終端面不光滑，因而還需要拋光 等步驟。拉錐法和研磨法需要的時間很長，一臺機器一個月的產(chǎn)量也不過幾根而已，成品一 致性也難以控制，難以達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)的要求。因此，尋求一種新的終端反射型表面等離子 體共振傳感結(jié)構(gòu)亟待解決。
[0003] 異芯光纖類中的多模-單模光纖類不需要拋光、控制切割角等繁瑣的工藝，使得生 產(chǎn)工藝要求大大降低。這種光纖利用多模光纖的纖芯大于單模光纖纖芯的特點，當(dāng)光從多 模光纖的纖芯傳導(dǎo)進入單模光纖的時候，光會大量泄漏進入到單模光纖的包層中，并在單 模光纖的包層和外介質(zhì)的界面上發(fā)生全反射并產(chǎn)生倏逝波，如果在單模光纖的包層外面鍍 上敏感金屬薄膜就能產(chǎn)生表面等離子體共振效應(yīng)。當(dāng)單模光纖的外介質(zhì)改變時，相應(yīng)的表 面等離子共振波譜也會改變。我們可以根據(jù)這種效應(yīng)測量不同的外介質(zhì)。然而，多模光纖中 存在很多不同傳導(dǎo)模式的光，這些不同模式的光會以不同的角度泄露進單模光纖，并且在 單模光纖的包層和外介質(zhì)表面發(fā)生全反射時的角度也不同，那么不同的全反射角也會對應(yīng) 不同的表面等離子體共振波譜。也就是說，最終測量到的表面等離子體共振波譜實際是多 模光纖中不同模式所激發(fā)的波譜的疊加譜。這樣就會最終導(dǎo)致測量到的波譜的半高寬降 低，測量靈敏度降低。而異芯光纖類中的單模-無芯光纖結(jié)構(gòu)雖然靈敏鍍高于多模_單模光 纖結(jié)構(gòu)，但是由于耦合進單模光纖是能量損失太大，導(dǎo)致能量利用率低，增大了檢測難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種終端反射 型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，基于表面等離子體共振效應(yīng)的螺旋芯光纖-無芯 光纖結(jié)構(gòu)，提高了能量利用率，靈敏度高，使用方便。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，包括寬譜光源、3dB光纖耦 合器、微透鏡耦合器、光纖傳感單元和光譜儀，寬譜光源經(jīng)多模光纖與光纖耦合器連接，光 纖耦合器經(jīng)過多模光纖與微透鏡耦合器連接，微透鏡耦合器與光纖傳感單元連接，光纖耦 合器同時通過多模光纖與光譜儀連接。
[0007] 按上述方案，所述光纖傳感單元由一段螺旋芯光纖和一段側(cè)面鍍有敏感金屬薄膜 且終端面鍍有鏡面反射膜的無芯光纖組成。
[0008] 按上述方案，所述無芯光纖為去掉涂覆層的折射率一定的光纖。
[0009] 按上述方案，所述敏感金屬薄膜致密，平整，覆蓋無芯光纖包層的整個側(cè)面。
[0010] 按上述方案，所述敏感金屬薄膜包括納米金屬薄膜、納米金屬氧化物薄膜、納米合 金薄膜及其他對濕度、溫度、濃度、應(yīng)力敏感的功能性及特異性材料薄膜。
[0011] 按上述方案，所述鏡面反射膜致密，平整，覆蓋無芯光纖的整個終端面且對表面等 離子體共振效應(yīng)不敏感。
[0012] 按上述方案，所述寬譜光源為波長在400~1800nm范圍內(nèi)連續(xù)變化的無突變的連 續(xù)譜白光激光光源。
[0013] 按上述方案，所述3dB光纖耦合器為分光比1:1的光無源器件。
[0014]按上述方案，所述光譜儀為檢測波長范圍400~1800nm光強的光譜儀，檢測靈敏度 小于lnm〇
[0015] 本發(fā)明的工作原理：寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)50m長多模光纖傳導(dǎo)后進入分光比1:1的 3dB光纖耦合器，其中一半的能量被損失掉，另一半的能量從3dB光纖耦合器的出口端出來 經(jīng)多模光纖傳導(dǎo)進入微透鏡耦合器中，微透鏡耦合器將多模光纖的光耦合進螺旋芯光纖-無芯光纖結(jié)構(gòu)的光纖傳感單元進行調(diào)制，調(diào)制后的光再次經(jīng)微透鏡耦合器進入到多模光纖 中，經(jīng)3dB耦合器后一半的能量回到寬譜光源并被寬譜光源自帶的光隔離器損失掉，另一半 進入光譜儀進行檢測。當(dāng)寬譜光源發(fā)出的光耦合進入螺旋芯光纖后，由于螺旋芯光纖的纖 芯的彎曲結(jié)構(gòu)使得高階模式的光在傳輸?shù)倪^程中快速損耗，而基模的能量幾乎不會損耗。 對于無芯光纖而言，它和外介質(zhì)一起構(gòu)成了光密-光疏結(jié)構(gòu)，也就是說無芯光纖相當(dāng)于一段 多模光纖的纖芯，外介質(zhì)相當(dāng)于多模光纖的包層。當(dāng)螺旋芯光纖的基模光耦合進入無芯光 纖時，會在無芯光纖中激發(fā)多個模式的光。其中基模的光會直接通過無芯光纖，經(jīng)無芯光纖 終端反射后回到螺旋芯光纖中，而高階模式的光會在無芯光纖的包層和外介質(zhì)的交界面發(fā) 生全反射并產(chǎn)生倏逝波，在無芯光纖的包層外側(cè)鍍上敏感金屬薄膜會增大倏逝波的橫向波 矢，當(dāng)入射光的波長滿足共振條件時就能發(fā)生表面等離子體共振想象。當(dāng)外介質(zhì)改變時，對 應(yīng)的共振波長也會改變?；谶@一現(xiàn)象可以測量不同的外介質(zhì)。
[0016] 本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的光纖表面等離子體共振傳感器，具有以下有益效果：
[0017] 1、相比于錐形或楔形探針類光纖表面等離子體共振傳感器而言，本發(fā)明不需要控 制光纖端口的切割角或錐形角，也不需要拋光等工藝；
[0018] 2、相比于多模光纖-單模光纖表面等離子體共振傳感器而言，本發(fā)明不存在用多 模光纖傳導(dǎo)入射光時存在的多模光纖中模式眾多且難以控制的問題；
[0019] 3、相比于單模光纖-無芯光纖表面等離子體共振傳感器而言，本發(fā)明的能量利用 率高，使得檢測難度降低。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2是圖1中光纖傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖3是本發(fā)明光纖傳感單元的螺旋芯光纖采用四螺旋芯的光纖截面圖；
[0023]圖中，1-寬譜光源，2-3dB光纖耦合器，3-微透鏡耦合器，4-光纖傳感單元，41-螺旋 芯光纖，42-無芯光纖，43-敏感金屬薄膜，44-鏡面反射膜。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步詳細(xì)的說明。
[0025]參照圖1所示，本發(fā)明所述的終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，包 括寬譜光源l、3dB光纖耦合器2、微透鏡耦合器3、光纖傳感單元4和光譜儀5,寬譜光源1經(jīng) 50m長多模光纖與光纖親合器2連接，光纖親合器2經(jīng)過50m長多模光纖與微透鏡親合器3連 接，微透鏡耦合器3與光纖傳感單元4連接，光纖耦合器2同時通過50m長多模光纖與光譜儀5 連接。
[0026]參照圖2所示，光纖傳感單元4由一段螺旋芯光纖41和一段側(cè)面鍍有敏感金屬薄膜 43且終端面鍍有鏡面反射膜44的無芯光纖42組成。圖3是螺旋芯光纖41采用四螺旋芯光纖 的截面圖。螺旋芯光纖41還可以采用雙螺旋芯或三螺旋芯等等。
[0027]無芯光纖42為去掉涂覆層的折射率一定的光纖。
[0028]敏感金屬薄膜43致密，平整，覆蓋無芯光纖42包層的整個側(cè)面。
[0029]敏感金屬薄膜43包括納米金屬薄膜、納米金屬氧化物薄膜、納米合金薄膜及其他 對濕度、溫度、濃度、應(yīng)力敏感的功能性及特異性材料薄膜。
[0030] 鏡面反射膜44致密，平整，覆蓋無芯光纖42的整個終端面且對表面等離子體共振 效應(yīng)不敏感。
[0031] 寬譜光源1為波長在400~1800nm范圍內(nèi)連續(xù)變化的無突變的連續(xù)譜白光激光光 源。
[0032] 3dB光纖耦合器2為分光比1:1的光無源器件。
[0033] 微透鏡耦合器3為用于將無芯光纖42和螺旋芯光纖41的光耦合的光無源器件。 [0034] 光譜儀5為檢測波長范圍400~1800nm光強的光譜儀，檢測靈敏度小于lnm。
[0035]寬譜光源1發(fā)出的光經(jīng)50m長多模光纖傳導(dǎo)后進入分光比1:1的3dB光纖耦合器2， 其中一半的能量被損失掉，另一半的能量從3dB光纖耦合器2的出口端出來經(jīng)多模光纖傳導(dǎo) 進入微透鏡耦合器3中，微透鏡耦合器3將多模光纖的光耦合進螺旋芯光纖-無芯光纖結(jié)構(gòu) 的光纖傳感單元4進行調(diào)制，調(diào)制后的光再次經(jīng)微透鏡耦合器3進入到多模光纖中，經(jīng)3dB耦 合器2后一半的能量回到寬譜光源1并被寬譜光源1自帶的光隔離器損失掉，另一半進入光 譜儀5進行檢測，光譜儀5連接至電腦6,供個人使用電腦6進行分析。
[0036]當(dāng)光從寬譜光源1耦合進入螺旋芯光纖41時會激勵起多個模式的光，但是不同模 式的光的衰減系數(shù)不同。
[0037]基模光的衰減系數(shù)用Marcuse模型表示：
U
[0039]高階模式的光的衰減系數(shù)用K. S. Kaufman模型表示：
a)
[0041 ]其中：a為纖芯半徑，k為波矢量，V為歸一化頻率，R為曲率半徑，為第二類 Hanke 1函數(shù)，Kv是修正的Hanke 1函數(shù)。I b可以表示為：
(3)
[0043] 其中G可以表示為：
[0044] G= yR(n2k〇)-2 (4)
[0045] 其中y反映了導(dǎo)模倏逝場的衰減速度：
(5)
[0047] ko為真空中的波矢量：
[0048] ko = 2JiA (6)
[0049] 由上式可知，在四螺旋芯光纖中，高階模式的光會快速損耗，但是基模光的能量幾 乎不會損耗。由于無芯光纖42的折射率大于外介質(zhì)，因此無芯光纖42和外介質(zhì)一起也構(gòu)成 了光密-光疏結(jié)構(gòu)，也就是說無芯光纖42相當(dāng)于一段多模光纖的纖芯，外介質(zhì)相當(dāng)于多模光 纖的包層。當(dāng)四螺旋芯光纖的基模光耦合進入無芯光纖時，會在無芯光纖42中激發(fā)起多個 模式的光。其中，被激發(fā)的基模光直接通過無芯光纖，在終端反射面經(jīng)反射后回到螺旋芯光 纖中，但是其它模式的光會在無芯光纖42和外介質(zhì)的表面發(fā)生全反射。當(dāng)入射光的波長在 表面等離子體共振波長附近時，發(fā)生全反射的光的能量會從倏逝波大量耦合變成表面波的 能量而使得光纖中的能量急劇減弱，也就是發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象，此時測得的能量 急劇減弱。當(dāng)外介質(zhì)改變時，發(fā)生表面等離子體共振時對應(yīng)的光源波長也隨之改變，我們可 以通過這樣的現(xiàn)象檢測無芯光纖外介質(zhì)的折射率。
[0050] 顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的 實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其 它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā) 明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
【主權(quán)項】
1. 一種終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在于:包括寬譜光源、 3dB光纖耦合器、微透鏡耦合器、光纖傳感單元和光譜儀，寬譜光源經(jīng)多模光纖與光纖耦合 器連接，光纖耦合器經(jīng)過多模光纖與微透鏡耦合器連接，微透鏡耦合器與光纖傳感單元連 接，光纖耦合器同時通過多模光纖與光譜儀連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在 于:所述光纖傳感單元由一段螺旋芯光纖和一段側(cè)面鍍有敏感金屬薄膜且終端面鍍有鏡面 反射膜的無芯光纖組成。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在 于:所述無芯光纖為去掉涂覆層的折射率一定的光纖。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在 于:所述敏感金屬薄膜致密，平整，覆蓋無芯光纖包層的整個側(cè)面。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在 于:所述敏感金屬薄膜包括納米金屬薄膜、納米金屬氧化物薄膜、納米合金薄膜及其他對濕 度、溫度、濃度、應(yīng)力敏感的功能性及特異性材料薄膜。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在 于:所述鏡面反射膜致密，平整，覆蓋無芯光纖的整個終端面且對表面等離子體共振效應(yīng)不 敏感。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在 于:所述寬譜光源為波長在400~1800nm范圍內(nèi)連續(xù)變化的無突變的連續(xù)譜白光激光光源。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在 于:所述3dB光纖耦合器為分光比1:1的光無源器件。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的終端反射型螺旋芯光纖表面等離子體共振傳感器，其特征在 于:所述光譜儀為檢測波長范圍400~1800nm光強的光譜儀，檢測靈敏度小于Inm 0
【文檔編號】G01N21/552GK105911026SQ201610482612
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】鄭喆軒, 黎敏, 郜洪云
【申請人】武漢理工大學(xué)