本发明涉及光纤光栅生化医学传感器设计领域，尤其涉及一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置及其参数优化方法。
背景技术：
生化传感技术在快速诊断、在体检测、环境监测等领域具有重要的研究意义和广泛的应用需求。探索传感新机制，研制新型生化传感器件，从而拓宽生化传感器件应用领域、提高其传感检测灵敏度和传感精度，现已成为促进相关行业发展的迫切要求。目前广泛使用的生化传感器件中，基于电化学检测的传感器应用较多。但此类传感器难以实现实时快速在体(在线)监测，便携性较差，需要特异性标记等，不能实时提供待测样品参量的变化情况，因此高精度实时在线传感检测成为未来生化传感应用的发展趋势。光纤传感技术以微米量级的光纤作为物理传输媒介，以光波作为信息传输和检测的载体，具有体积小、重量轻、在线复用性好、灵敏度高、响应速度快、生物兼容性强、抗电磁干扰等优异特性，成为近二十年来最具发展前景的生化传感技术之一。
在已报道的众多光纤生物传感器中，光纤光栅表面等离子体共振传感器成为近些年的研究热点。通过在光栅区域的表面涂敷金、银、铜等金属薄膜，满足频率匹配的包层模式会在金属膜内激励起表面等离子体共振波，其电磁场分布渗透至待测样品中并以指数规律衰减。相比于其他光纤模式，如纤芯模式和包层模式，等离子体共振波与待测样品具有更强的相互作用，从而具有更高的传感灵敏度和传感精度。
为有效地在光纤光栅表面激励起等离子体共振波，目前广泛采用的两种方法为：基于倾斜布拉格光纤光栅的表面等离子体共振和基于长周期光纤光栅的表面等离子体共振。
倾斜布拉格光纤光栅通常为具有倾角为7°～10°光栅结构的短周期光纤光栅，能够在相位匹配条件下将纤芯导模耦合至反向传输的纤芯导模和众多包层模式，满足频率匹配的包层模式会激励起表面等离子体共振波。由于待测样品的温度变化对纤芯导模的影响较小，而表面等离体共振波对待测样品的折射率变化非常灵敏，因此基于倾斜布拉格光纤光栅的表面等离子体共振传感器可同时实现温度和折射率的区分测量。然而，基于倾斜布拉格光纤光栅表面等离子体共振传感器的模式耦合机制在机理上决定了其最大传感灵敏度不能高于其光栅周期，因此该类型传感器的典型灵敏度通常在550nm/riu左右(opticsexpress,23(3),pp.2918-2932,2015)，这在一定程度上限制了该类型传感器在痕量待测样品变化中的应用。
长周期光纤光栅(longperiodfibergrating，lpfg)由周期为几百微米量级的光栅组成，能够实现纤芯导模和同向传输高阶包层模之间的模式耦合，从而在光栅区域表面的金属膜内激励起等离子体共振波。由于高阶包层模式更易受外界环境变化的影响，因此长周期光纤光栅表面等离子体共振传感器具有比布拉格光纤光栅传感器更高的传感灵敏度。同时，通过在长周期光纤光栅中引入倾斜光栅结构，如光栅倾角高于80°的极大倾角长周期光纤光栅，可进一步实现纤芯导模和高角向参数包层模式的强耦合，从而利用高角向参数包层模式来激励起表面等离子体共振波。与低角向参数包层模式相比，高角向参数包层模式的模场分布进一步延伸至待测环境中，从而提高了对待测样品的感知能力。
然而，目前基于长周期光纤光栅的表面等离子体共振传感器中，广泛使用的是常规的传感器结构设计(ieeephotonicstechnologyletter,27(1),pp.46-49,2015；opticsexpress,21(12),pp.13875-13895,2013)，并未采用高角向参数包层模式来激励起表面等离子体共振波，因此不能进一步提升其灵敏度，限制了其在高灵敏高分辨率需求等生化传感领域的应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，通过在低折射率区域优化传感装置的参数，利用低阶或高阶包层模式在光栅表面的金属膜内激励起表面等离子体共振波，从而增强了待测样品与表面等离子体共振波的互作用程度，提升了传感装置的检测灵敏度和分辨率，同时更有效地利用了光谱资源。
为实现上述目的，本发明提供一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，包括：
一宽带光源，用于产生一定宽波段的入射光；
一起偏器，用于将所述宽带光源形成的入射光偏振为单一偏振方向的偏振光；其中，所述偏振光为p偏振光和s偏振光；
一偏振控制器，用于允许所述单一偏振方向的偏振光通过；
一光隔离器，用于阻止与所述单一偏振方向的偏振光传播方向相反的光通过；
一由极大倾角长周期光纤光栅及其光栅区域表面涂覆有金属膜构成的传感探头，所述传感探头放置于具有待测样品的一反应池中，其一端通过光纤跳线与所述光隔离器相连，用于接收所述单一偏振方向的偏振光，在所述极大倾角长周期光纤光栅内将所述单一偏振方向的偏振光耦合至高阶或低阶偏振包层模式，并产生相应的谐振峰；其中，所述s偏振光仅耦合至s偏振高阶或低阶包层模式后，与所述反应池内的待测样品发生相互作用；所述p偏振光耦合至高阶或低阶p偏振包层模式，并进一步在所述金属膜内激励起与所述待测样品密切相关的表面等离子体共振波后，且与所述反应池内的待测样品发生相互作用；
一光谱分析仪，所述光谱分析仪通过光纤跳线与所述传感探头的另一端相连，用于记录所述传感探头的输出光谱随所述待测样品参数变化的变化情况，并通过确定所述传感探头输出光谱的谐振波长随所述待测样品参数变化的漂移范围来实现对所述待测样品的检测。
其中，所述s偏振包层模式包括角向偏振的te0,j和hev,j(v＝1,2,3…)模式；所述p偏振包层模式包括径向偏振的tm0,j和ehv,j(v＝1,2,3…)模式，且tm0,j和ehv,j(v＝1,2,3…)模式均能在所述极大倾角长周期光纤光栅表面的金属膜内激励起表面等离子体共振波。
其中，所述金属膜为纳米量级的金膜、银膜、铝膜或铜膜，其厚度介于40nm～60nm之间。
其中，所述金属膜通过磁控溅射方式镀于所述极大倾角长周期光纤光栅的光栅区域表面。
其中，所述极大倾角长周期光纤光栅(为光栅倾角为81°的长周期光纤光栅，光纤纤芯半径为4.15μm，光纤包层半径介于40μm～62.5μm之间，纤芯折射率比包层折射率高0.36％，光栅周期介于177μm～277μm之间，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅长度为40mm～50mm。
其中，所述宽带光源输出的入射光为包括1500nm～1600nm波段的红外光。
本发明实施例还提供了一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置参数优化方法，其在前述的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置中实现，所述方法包括以下步骤：
s1、获得偏振输入光：宽带光源输出包含近红外波段的宽波段输入光，依次进入至起偏器、偏振控制器和光隔离器后，输出为单一偏振方向的p偏振光或s偏振光；其中，所述p偏振光的电场分量平行于极大倾角长周期光纤光栅的光栅写制方向，所述s偏振光的电场分量垂直于所述极大倾角长周期光纤光栅的光栅写制方向，且所述p偏振光和所述s偏振光相互正交，不会发生模式耦合。所述p偏振光的归一化电磁场分量可表示为：
其中v＝0,1,2...表示模式角向参数，l＝1,2,3...表示模式次数。将式中参量(vφ)转换为(vφ-π/2)即可得到所述s偏振光的归一化电磁场分量；
s2、实现选择性的模式耦合：从所述光隔离器输出的偏振光进入至由所述极大倾角长周期光纤光栅及金属膜构成的传感探头中；在所述极大倾角长周期光纤光栅的倾斜光纤光栅区域，满足相位匹配条件的偏振光会耦合至低阶或高阶偏振包层模式；其中，相位匹配条件可表示为：
其中δβvl为相位匹配因子，由式(3)确定；
式中κco和
s3、优化传感探头参数：当δ＝0时，式(2)可进一步简化为：
式中λres为谐振波长，
其中，所述步骤s1中的p偏振光可通过在所述金属膜内谐振的表面等离子体共振波的强度分布来确定；其中，当从所述光隔离器输出光的偏振方向与所述极大倾角长周期光纤光栅的写制方向一致时，相应的表面等离子体共振波的强度最大。
其中，所述步骤s2中的选择性模式耦合包括p偏振模式之间的耦合和s偏振模式之间的耦合；其中，若谐振波长随待测样品参数漂移，则对应p偏振模式之间的耦合，若谐振波长保持不变，则对应s偏振模式之间的耦合。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用极大倾角长周期光纤光栅表面等离子体共振传感器作为传感探头，偏振光进入至经参数优化的传感探头后，在光栅区域选择性地耦合至低阶或高阶偏振包层模式，即te/tm0,j和he/eh2,j模式(v＝1,2,3…)，从而更充分地利用了光谱资源；
(2)本发明可选择性地利用p偏振低阶包层模式eh1,j或高阶简并包层模式tm0,j和eh2,j在光栅表面的金属膜内激励起表面等离子体共振波，由于高阶简并包层模式tm0,j和eh2,j具有比低阶包层模式eh1,j更灵敏的环境响应特性，因此高阶简并包层模式tm0,j和eh2,j激励起的表面等离子体共振波具有更优异的传感特性；
(3)本发明较传统的单一参数优化方法，采用
(4)本发明在普通的极大倾角长周期光纤光栅表面等离子体共振传感器上获得了灵敏度优化方法，实现了极高的折射率传感灵敏度，特别是在生化医学传感领域普遍关注的低折射率区域，获得了远高于传统检测方法的灵敏度和分辨率；
(5)本发明较普通的光强检测方法，通过监测光纤探头输出光谱随待测样品参数变化的变化情况，从而将样品参数的变化转变为谐振波长的漂移而非光谱强度的变化，避免了光强检测方法中对光源及光路稳定性的苛刻要求，极大提高了检测结果的可靠性，简化了传感装置的制备工艺，降低了传感装置的制造成本；
(6)本发明相比于传统的电化学和三棱镜检测方法，采用光纤为载体的光波传感方法，将待测样品信息的获取和传输集成在微米量级的光纤内完成，极大缩小了传感装置的体积，提高了传感检测装置的稳定性，可实现待测样品的实时在线传感监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置的结构示意图；
图2为图1中传感探头的工作原理图；
图3为本发明实施例提供的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置参数优化方法的流程图；
图4为图1中传感探头的相位匹配曲线图和
图5为图1中传感探头的低阶he/eh1,j谐振模式在不同折射率待测样品中的透射光谱图；
图6为图1中传感探头的p偏振eh1,j谐振模式的传感特性曲线图；
图7为图1中传感探头的高阶简并te/tm0,j和he/eh2,j谐振模式在不同折射率待测样品中的透射光谱图；
图8为图1中传感探头的p偏振高阶简并te/tm0,j和he/eh2,j谐振模式的传感特性曲线；
图9为图1中小半径传感探头的p偏振eh1,j谐振模式以及高阶简并te/tm0,j和he/eh2,j谐振模式的传感特性曲线图；其中，a为p偏振eh1,j谐振模式的传感特性曲线图；b为p偏振高阶简并te/tm0,j和he/eh2,j谐振模式的传感特性曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1和图2所示，为本发明实施例中，提供的一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，包括：
一宽带光源1，用于形成有一定宽波段的入射光；在一个实施例中，宽带光源1输出的入射光为包括1500nm～1600nm波段的红外光；
一起偏器2，用于将宽带光源1形成的入射光偏振为单一偏振方向的偏振光；其中，所述偏振光为p偏振光和s偏振光；
一偏振控制器3，用于允许单一偏振方向的偏振光通过；
一光隔离器4，用于阻止与单一偏振方向的偏振光传播方向相反的光通过；
一由极大倾角长周期光纤光栅51及其光栅区域表面涂覆有金属膜52构成的传感探头5，传感探头5放置于具有待测样品的一反应池6中，其一端通过光纤跳线与光隔离器4相连，用于接收单一偏振方向的偏振光，在极大倾角长周期光纤光栅51内将单一偏振方向的偏振光耦合至高阶或低阶偏振包层模式，并产生相应的谐振峰；其中，s偏振光仅耦合至s偏振高阶或低阶包层模式后，与反应池6内的待测样品发生相互作用；p偏振光耦合至高阶或低阶p偏振包层模式，并进一步在金属膜52内激励起与待测样品密切相关的表面等离子体共振波后，且与反应池6内的待测样品发生相互作用；
一光谱分析仪7，光谱分析仪7通过光纤跳线与传感探头的另一端相连，用于记录所述传感探头5的输出光谱随所述待测样品参数变化的变化情况，并通过确定所述传感探头5输出光谱的谐振波长随所述待测样品参数变化的漂移范围来实现对所述待测样品的检测。
应当说明的是，通过优化传感探头5的参数可极大提高检测装置的传感灵敏度。
在本发明实施例中，p偏振模式包括径向偏振的tm0,j和ehv,j模式，s偏振模式包括角向偏振的te0,j和hev,j模式，且tm0,j和ehv,j(v＝1,2,3…)模式均能在所述极大倾角长周期光纤光栅51表面的金属膜52内激励起表面等离子体共振波。
在本发明实施例中，s偏振光经传感探头5后输出光谱的谐振波长在所述待测样品参数变化时保持不变，p偏振光经传感探头5后输出光谱的谐振波长随所述待测样品参数变化而发生漂移。
在本发明实施例中，金属膜为纳米量级的银膜，其厚度介于40nm～60nm之间；其中，金属膜通过磁控溅射方式镀于极大倾角长周期光纤光栅的光栅区域表面上。
在本发明实施例中，极大倾角长周期光纤光栅为光栅倾角为81°的长周期光纤光栅，光纤纤芯半径为4.15μm，光纤包层半径介于40μm～62.5μm之间，光纤纤芯折射率比包层折射率高0.36％，光栅周期介于177μm～277μm之间，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅长度介于40mm～50mm之间。
在本发明实施例中，待测样品包括气体和液体。在进行气体或液体原位测量时，反应池6可以去掉，直接将传感探头5置于待测气体或液体中即可。
如图3所示，本发明实施例还提供了一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的低折射率传感优化方法，其在前述的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置中实现，所述方法包括以下步骤：
步骤s1、获得偏振输入光：宽带光源输出包含近红外波段的宽波段输入光，依次进入至起偏器、偏振控制器和光隔离器后，输出为单一偏振方向的p偏振光或s偏振光。其中，所述p偏振光的电场分量平行于极大倾角长周期光纤光栅的光栅写制方向，所述s偏振光的电场分量垂直于所述极大倾角长周期光纤光栅的光栅写制方向，且所述p偏振光和所述s偏振光相互正交，不会发生模式耦合。所述p偏振光的归一化电磁场分量可表示为：
其中v＝0,1,2...表示模式角向参数，l＝1,2,3...表示模式次数。将式中参量(vφ)转换为(vφ-π/2)即可得到所述s偏振光的归一化电磁场分量；
步骤s2、实现选择性的模式耦合：从所述光隔离器输出的偏振光进入至由所述极大倾角长周期光纤光栅及金属膜构成的传感探头中。在所述极大倾角长周期光纤光栅的倾斜光纤光栅区域，满足相位匹配条件的偏振光会耦合至低阶或高阶偏振包层模式；其中，相位匹配条件可表示为：
其中δβvl为相位匹配因子，由式(3)确定；
式中κco和
步骤s3、优化传感探头参数：当δ＝0时，式(2)可进一步简化为：
式中λres为谐振波长，
更进一步的，步骤s1中p偏振光可通过在金属膜内谐振的表面等离子体共振波的强度分布来确定；当从光隔离器输出光的偏振方向与极大倾角长周期光纤光栅的写制方向一致时，相应的表面等离子体共振波的强度最大，即对应p偏振光。
更进一步的，步骤s2中的选择性模式耦合包括p偏振模式之间的耦合和s偏振模式之间的耦合，可通过光纤探头输出光谱中的谐振波长随待测样品参数变化的漂移情况进一步确定；其中，若谐振波长随待测样品参数漂移，则对应p偏振模式之间的耦合，若谐振波长保持不变，则对应s偏振模式之间的耦合。
如图4至图9所示，为发明实施例中的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置的应用场景图。
通过优化光栅周期，可实现选择性的低阶或高阶包层模式强耦合，即低阶eh1,42谐振模式的光栅周期为15.65μm，高阶简并tm0,42和eh2,42谐振模式的光栅周期为15.48μm，如图4所示。
通过极大倾角长周期光纤光栅51实现低阶he/eh1,42模式的强耦合，其透射谱如图5所示。p偏振eh1,42模式的谐振波长随待测样品折射率的变化而向长波长方向漂移，s偏振he1,42模式的谐振波长保持不变。相应的p偏振eh1,42模式传感特性曲线如图6所示。此时，在低折射率区域其折射率灵敏度达到6900nm/riu，分辨率为1.45×10-6riu-1。
通过极大倾角长周期光纤光栅51实现高阶简并te/tm0,42和he/eh2,42包层模式的强耦合时，其透射谱如图7所示。p偏振tm0,42和eh2,42模式的谐振波长随待测样品折射率的变化而向长波长方向漂移，s偏振te0,42和he2,42模式的谐振波长保持不变。相应的p偏振tm0,42和eh2,42模式传感特性曲线如图8所示。此时，在低折射率区域其折射率灵敏度达到9300nm/riu，分辨率为1.08×10-6riu-1。
在极大倾角长周期光纤光栅51上预设另一组典型参数为：纤芯半径为4.15μm，包层半径为48.5μm，纤芯折射率比包层折射率高0.36％，光栅倾角为81°，光栅长度为40mm，折射率调制幅度为2.0×10-3，光栅表面的金属膜为银膜，其厚度为40nm，低阶eh1,32谐振模式的光栅周期为15.52μm，高阶简并tm0,32和eh2,32谐振模式的光栅周期为15.31μm。在上述参数下实现低阶he/eh1,j模式的强耦合时，相应的p偏振eh1,32模式传感特性曲线如图9(a)所示，在低折射率区域其折射率灵敏度达到7400nm/riu，分辨率为1.35×10-6riu-1。在上述参数下实现高阶简并te/tm0,32和he/eh2,32模式的强耦合时，相应的p偏振tm0,32和eh2,32模式传感特性曲线如图9(b)所示。此时，在低折射率区域其折射率灵敏度达到10100nm/riu，分辨率为9.9×10-7riu-1。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
(1)本发明采用极大倾角长周期光纤光栅表面等离子体共振传感器作为传感探头，偏振光进入至经参数优化的传感探头后，在光栅区域选择性地耦合至低阶或高阶偏振包层模式，即te/tm0,j和he/eh2,j模式(v＝1,2,3…)，从而更充分地利用了光谱资源；
(2)本发明可选择性地利用p偏振低阶包层模式eh1,j或高阶简并包层模式tm0,j和eh2,j在光栅表面的金属膜内激励起表面等离子体共振波，由于高阶简并包层模式tm0,j和eh2,j具有比低阶包层模式eh1,j更灵敏的环境响应特性，因此高阶简并包层模式tm0,j和eh2,j激励起的表面等离子体共振波具有更优异的传感特性；
(3)本发明较传统的单一参数优化方法，采用
(4)本发明在普通的极大倾角长周期光纤光栅表面等离子体共振传感器上获得了灵敏度优化方法，实现了极高的折射率传感灵敏度，特别是在生化医学传感领域普遍关注的低折射率区域，获得了远高于传统检测方法的灵敏度和分辨率；
(5)本发明较普通的光强检测方法，通过监测光纤探头输出光谱随待测样品参数变化的变化情况，从而将样品参数的变化转变为谐振波长的漂移而非光谱强度的变化，避免了光强检测方法中对光源及光路稳定性的苛刻要求，极大提高了检测结果的可靠性，简化了传感装置的制备工艺，降低了传感装置的制造成本；
(6)本发明相比于传统的电化学和三棱镜检测方法，采用光纤为载体的光波传感方法，将待测样品信息的获取和传输集成在微米量级的光纤内完成，极大缩小了传感装置的体积，提高了传感检测装置的稳定性，可实现待测样品的实时在线传感监测。
以上所公开的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。