专利名称：基于复合膜层的光纤等离子体波传感器及其传感检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于复合膜层的光纤等离子体波传感器及其传感检测系统，能够测量液体折射率，可应用于生物、医学和化工领域。
背景技术：
表面等离子体共振效应(Surface Plasmon Resonance)是存在于金属与非导电介质界面处的物理光学现象，可利用它实现对金属层和介质层属性微小变化的测量。基于SPR效应的光学传感技术已在生化检测等多个领域得到应用。传统的光纤SPR传感器是基于纤芯-金膜-环境介质三层结构，由于SPR效应其反射光谱会形成一个凹谷。随着被测环境介质折射率的增加，波形向长波方向偏移，共振波谷位置与折射率存在一定对应关系，所以可通过测量共振波谷的位置得到环境介质的折射率。该方法具有传输损耗小、体积小、集成性好等优点，但是存在灵敏度不高的缺点。为提高传感器灵敏度，中国科技大学的陈勇等人研究了以MgF2为外调制层的光纤表面等离子体共振传感器。采用纤芯-银膜-调制层-环境介质四层结构，其中纤芯数值孔径为0.37，直径为0.2mm，银膜厚度为40nm，调制层使用氟化镁，厚度为10nm，折射率为1.377。在分析物的折射率范围为1.33-1.40时，实验中取得了 4464nm/RIU的高灵敏度。但该传感器结构采用的是在线反射式，在线反射式的检测方法是光源在光纤的一端，经过激发SPR效应后的反射光在另一端接收检测，如图3所示。由于光纤不宜折的特点，所以不便于将这种结构的传感区域放入盛装分析物的容器中，并不适用于实际测量，目前该结构已不经常被使用。(Yong Chen, Rongsheng Zheng, Yonghua Lu, Pei Wang, and HaiMing.Fiber-optic surface plasmon resonant sensor with low-1ndexant1-oxidationcoating[J], Chinese Optics Letters，2011，100605:1 4)。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有更优的灵敏性和实用性，能够更好的满足对折射率监测效果需求的基于复合膜层的光纤等离子体波传感器及其传感检测系统。为了解决上述技术问题，本实用新型设计了一种基于复合膜层的光纤等离子体波传感器，包括光纤接头1、涂覆层2、包层3和纤芯4，所述包层3、涂覆层2和光纤接头I由内向外依次包裹住纤芯4的一端,所述纤芯4相对于光纤接头I的另一端由内向外依次包裹有内调制层6和金膜5。作为本实用新型的一种优化结构:所述纤芯4的折射率为1.45,直径为0.6mm ;所述包层3的折射率为1.39，厚度为0.2mm ;所述内调制层6的折射率为3.5，厚度为200nm ；所述金膜5的厚度为50nm。本实用新型还设计了一种基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的传感检测系统，包括宽带光源、光纤耦合器、基于复合膜层的光纤等离子体波传感器、光谱仪和计算机，其中；所述宽带光源通过多模光纤与光纤耦合器连接，宽带光源产生入射光，并传输至光纤稱合器；所述光纤耦合器的输出端通过多模光纤分别连接基于复合膜层的光纤等离子体波传感器和光谱仪，并将接收到的入射光传输至基于复合膜层的光纤等离子体波传感器；所述基于复合膜层的光纤等离子体波传感器放置在待测液体中，所述光纤耦合器发出的入射光经过基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的SPR效应处理后以反射光的形式通过光纤耦合器传输至光谱仪；所述光谱仪通过数据线与计算机连接，所述光谱仪将上述反射光以光谱信号的形式传输至计算机；所述计算机从上述光谱信号中采集共振光谱信号，从而得到待测液体折射率与共振波长的关系。本实用新型与现有技术相比具有如下优点:1.本实用新型通过増覆折射率3.5、厚度200nm的铬膜，得到的传感器具有高灵敏度；2.本实用新型所设计的内置调制层型SPR传感器为终端反射式，传感器伸入盛装待测物质的容器中，便于实际测量，更加实用。
图1是基于复合膜层的光纤等离子体波传感器结构示意图；图2是基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的传感器检测系统组成示意图；图3是在线反射式光纤SPR传感器结构示意图；图4是终端反射式光纤SPR传感器结构示意图；图5是基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的传感模型沿轴向方向Z=0.8cm(传输区域)的坡印亭矢量图；图6是基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的传感模型沿轴向方向Z=2.22cm(共振区域)处X-Y截面的坡印亭矢量图；图7是金膜与内调制层界面处坡印亭矢量随内调制层厚度的变化曲线图；图8是金膜与内调制层界面处坡印亭矢量随折射率变化曲线；图9是传感器末端功率谱密度随内调制层折射率变化曲线；图10是无内调制层光纤SPR探针测量不同液体折射率对应的模拟共振光谱曲线图；图11是含200nm厚度内调制层的光学SPR探针测量不同液体折射率对应的模拟共振光谱曲线图。1-光纤接头，2-涂覆层，3-包层，4-纤芯，5-金膜，6_内调制层。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的具体说明:本实用新型是基于非线性有限元差分法(FDTD)与MATLAB的数值模拟。非线性有限元差分法是将Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分化，利用空间领域内的电场和磁场进行交替计算，以达到数值计算的目的。传感器结构采用终端反射式如图4所示，这种结构方便将传感器伸入盛装待测物质的容器中，从而能灵敏感知待测物质折射率变化情况。纤芯折射率为1.45，直径为0.6mm ;包层折射率为1.39，厚度为0.2mm ;金膜选用Lorentz Drude模型金膜，厚度为50nm，端面金属膜厚度为200nm;环境介质为空气，折射率为1，入射光源选用TM波(即垂直极化波)。为获得末端的功率谱密度，在末端设置观察线。基于复合膜层的光纤等离子体波传感器是在以上模型的基础上，在纤芯与金膜之间增加一层调制层。图5和图6分别为基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的传感模型沿轴向方向Z=0.8cm (传输区域)和Z=2.22cm (共振区域)处X_Y截面的坡印亭矢量图。在传输区域，光波能量主要集中在纤芯中心即χ=0处。在共振区域，能量峰值出现在纤芯与调制层的两侧分界面。这是由于共振区域发生SPR效应，使得光波能量泄漏到金膜和纤芯的分界面。能量出现峰值后立刻急剧减小，说明在此处发生了强烈的能量衰减，而这也是由SPR效应所引起。令内调制层折射率为3.5，分别对内调制层厚度为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm和400nm的模型进行仿真。在共振区域沿纤芯径向X=300um处设置观察点,得到观察点处的坡印廷矢量如图7所示。当内调制层厚度为IOOnm时，观察点处的能量远大于其他厚度时该点的能量值。随着内调制层厚度的增加，观察点处的能量不断下降，这主要是由于SPR现象更加明显，使得更多共振能量发生转移所致。而当厚度大于200nm时，观察点处能量随着厚度的增加变化不大，这说明厚度继续增加对SPR效应的影响不大。令内调制层厚度为200nm，分别对内调制层6折射率为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0和4.5的模型进行仿真，在光纤传 感器末端(Z=5.8cm)及发生SPR效应的金膜与内调制层的分界面处分别设置观察点。图8所示为金膜与内调制层分界面处X-Y截面的坡印廷矢量随内调制层折射率变化曲线。当内调制层折射率为3.5时，坡印亭矢量最大，即此时能量泄露到金膜与调制层表面最多，SPR效应最强烈。图9为传感器末端功率谱密度随内调制层折射率变化曲线；内调制层折射率为3.5时，传感器末端对应的功率谱密度最低，这是由于光纤中激发的SPR效应会导致光波传输能量的逐渐泄漏，进而使得光纤传感器末端能量呈现急剧衰减。SPR效应越强烈，在光纤传感器末端观察点处的能量就越低，相对应的平均功率谱密度值也就越小。利用MATLAB对光纤SPR传感器进行仿真时令光纤长度为20mm，纤芯直径0.6mm,折射率1.45 ;内调制层厚度折射率3.5 ;金膜厚度50nm，介电常数是随波长变化的函数，如公式⑴所示:nAU= ((1.8305e-6) X λ 2-0.0029818 X λ +1.2385)+iX ((1.6277e-6) X λ 2+0.010483Χ λ-3.1186)(I)无内调制层和増覆200nm调制层的光纤SPR传感器随环境介质折射率变化的模拟共振光谱曲线图如图10所示。由图所知，增覆200nm厚度的内置调制层后，可以发现随着被测液体折射率的增加，共振波形偏移量明显增加。无内调制层时，共振波长变化范围为650.47ηπΓ760.13nm。而当调制层为200nm时，共振波长变化范围是610.81nnT820.36nm,不仅共振光谱偏移范围发生变化，而且曲线斜率明显增大，其斜率即为传感器灵敏度。经过计算，无内调制层的三层光纤SPR传感器灵敏度为1096.6nm/RIU, 200nm内调制层光纤SPR传感器灵敏度为2095.5nm/RIU。基于上述分析，本文选择厚度为200nm、折射率为3.5的材料作为内调制层，研制
基于复合膜层的光纤等离子体波传感器。如图1所示，本实用新型设计了一种基于复合膜层的光纤等离子体波传感器，包括光纤接头1、涂覆层2、包层3和纤芯4，所述包层3、涂覆层2和光纤接头I由内向外依次包裹住纤芯4的一端,所述纤芯4相对于光纤接头I的另一端由内向外依次包裹有内调制层6和金膜5。作为本实用新型的一种优化结构:所述纤芯4的折射率为1.45，直径为0.6mm ;所述包层3的折射率为1.39，厚度为0.2mm ;所述内调制层6的折射率为3.5，厚度为200nm ；所述金膜5的厚度为50nm。在光纤传感器探针加工环节，首先使用光纤切割刀截取长度为200mm的光纤，对其两端面用光纤研磨机进行磨平、抛光。接着将处理过的光纤一部分浸入浓硫酸中浸泡15分钟，去除光纤的涂覆层2。再将光纤下端插入装有浓度为40%HF酸溶液的聚四氟乙烯容器中静置约I小时，去除光纤包层3。最后用蒸馏水和丙酮溶液交替反复冲洗，这样就得到除去了涂覆层2和包层3，只有裸纤芯的光纤4。在镀膜环节，将光纤探针插入专用夹具中，夹具在电机的带动下围绕炉壁进行匀速转动，使光纤外侧可以均匀的镀上200nm铬膜(内调制层6)和50nm金膜5。光纤的一头剥去涂覆层2和包层3，在裸光纤的外侧镀内调制层6和金膜5，光线从另一头入射后，在此共振区域发生表面等离子体波共振效应(SPR)，然后被光纤端面的金膜5反射回去。如图2所示，本实用新型还设计了一种基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的传感检测系统，包括宽带光源、光纤耦合器、基于复合膜层的光纤等离子体波传感器、光谱仪和计算机，其中；所述宽带光源通过多模光纤与光纤耦合器连接，宽带光源产生入射光，并传输至光纤稱合器；所述光纤耦合器的输出端通过多模光纤分别连接基于复合膜层的光纤等离子体波传感器和光谱仪，并将接收到的入射光传输至基于复合膜层的光纤等离子体波传感器；所述基于复合膜层的光纤等离子体波传感器放置在待测液体中，所述光纤耦合器发出的入射光经过基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的SPR效应处理后以反射光的形式通过光纤耦合器传输至光谱仪；所述光谱仪通过数据线与计算机连接，所述光谱仪将上述反射光以光谱信号的形式传输至计算机；所述计算机通过软件从上述光谱信号中采集共振光谱信号，从而得到待测液体折射率与共振波长的关系。在具体操作时，在室温下将基于复合膜层的光纤等离子体波传感器依次放入乙醇、异丙醇、N，N-二甲基甲酰胺、水、乙酸乙酯、邻苯二甲基二丁酯(DBP)分析纯溶液，这些液体折射率依次为1.335,1.341,1.344,1.371,1.381,1.392。图11为内置调制层型光纤SPR传感器在6种不同折射率溶液中的共振光谱曲线图。由图可知随着溶液折射率的增加，基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的共振光谱发生向右偏移，共振波长从617.43nm依次逐渐变化为746.15nm，且共振光谱偏移量较无内调制层时呈现明显增大。结果表明，通过在纤芯4与金膜5内侧增加内置调制层6，使得光纤SPR传感器灵敏度得以大幅提高，常规三层结构光纤SPR传感器的灵敏度系数为1140.3nm/RIU，而基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的灵敏度系数达到2263.lnm/RIU，灵敏度提高了98.5%。
权利要求1.一种基于复合膜层的光纤等离子体波传感器，包括光纤接头(I)、涂覆层(2)、包层(3)和纤芯(4)，所述包层(3)、涂覆层(2)和光纤接头(I)由内向外依次包裹住纤芯(4)的一端，其特征在于:所述纤芯(4)相对于光纤接头(I)的另一端由内向外依次包裹有内调制层(6)和金膜(5)。
2.根据权利要求1所述的基于复合膜层的光纤等离子体波传感器，其特征在于，所述纤芯(4)的折射率为1.45，直径为0.6mm ;所述包层(3)的折射率为1.39，厚度为0.2mm ;所述内调制层(6)的折射率为3.5，厚度为200nm ;所述金膜(5)的厚度为50nm。
3.一种基于权利要求1所述的基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的传感检测系统，其特征在于，包括宽带光源、光纤耦合器、基于复合膜层的光纤等离子体波传感器、光谱仪和计算机，其中； 所述宽带光源通过多模光纤与光纤耦合器连接，宽带光源产生入射光，并传输至光纤耦合器； 所述光纤耦合器的输出端通过多模光纤分别连接基于复合膜层的光纤等离子体波传感器和光谱仪，并将接收到的入射光传输至基于复合膜层的光纤等离子体波传感器； 所述基于复合膜层的光纤等离子体波传感器放置在待测液体中，所述光纤耦合器发出的入射光经过基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的SPR效应处理后以反射光的形式通过光纤耦合器传输至光谱仪； 所述光谱仪通过数据线与计算机连接，所述光谱仪将上述反射光以光谱信号的形式传输至计算机； 所述计算机从上述光谱信号中采集共振光谱信号，从而得到待测液体折射率与共振波长的关系。
专利摘要本实用新型公开了一种基于复合膜层的光纤等离子体波传感器，包括光纤接头1、涂覆层2、包层3和纤芯4，所述包层3、涂覆层2和光纤接头1由内向外依次包裹住纤芯4的一端，所述纤芯4的另一端由内向外依次包裹有内调制层6和金膜5；本实用新型还设计了一种基于复合膜层的光纤等离子体波传感器的传感检测系统。本实用新型所设计的基于复合膜层的光纤等离子体波传感器及其传感检测系统能够更好的满足对折射率监测效果的需求。
文档编号G01N21/55GK203037578SQ20122069662
公开日2013年7月3日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者孙晓明, 曾捷, 张倩韵, 曹海东, 张先辉, 梁大开 申请人:南京航空航天大学