环形芯光纤SPR传感器的制作方法
本发明涉及的是一种环形芯光纤spr传感器，属于光纤传感技术领域。
(二)
背景技术：
20世纪80年代，kretschmann棱镜型spr传感器在实验上被应用到了化学和生物学的检测当中，由于这个设计简单、方便，至今仍被人们广泛使用。尽管kretschmann棱镜型spr传感器性能稳定，但是由于其需要光学器件和机械组件配合工作，使得系统体积庞大，通常只适用于实验室检测，无法满足外部环境或狭小复杂环境的定点式检测；而且这类设备中需要精密的入射光角度调制组件，使得其成本非常高昂。因此，商业化的spr设备(如biacore，gehealthcare)在生化检测应用上相比于其他同类的检测设备也不具备很强的竞争力。因此，虽然光纤spr传感器的研究与应用较棱镜型spr传感器要晚得多，但由于光纤spr传感器采用光纤作为传输媒介，具有价格相对低廉、结构微小、稳定性好、灵活度高、可实现远程在线检测以及易于集成等特点，这就使得光纤spr技术目前在化学、生物、环境以及医药领域都有着相当重要的研究价值，因而近年光纤spr传感器也成为spr传感研究领域的新热点。
光纤spr传感最早报道于1993年，jorgenson采用多模纤光纤镀膜激发出spr(jorgensonr,yees.,sensorsandactuatorsb:chemical,1993,12(3):213-20.)，从而开启了光纤spr传感研究的热潮。虽然基于多模光纤传输能量高，但由于在光纤中存在模式耦合、偏振态损失，但得到的共振谷浅而宽。为了解决以上问题，slavik等人采用了微弯侧抛单模光纤的方案(slavíkr,homolaj,
近年来，具备各种微结构的光纤的出现也为光纤spr传感增添了各种可能性。maciejnapiorkowski理论分析了一种微结构光纤的弯曲spr共振光谱特性(napiorkowskim,urbanczykw.,opticsexpress,2013,21(19):22762-22772.)；苑立波等人提出螺旋多芯光纤spr传感器(cn105954236a)；zhihailiu等人提出采用多芯光纤用作多通道的spr生物传感器，实现了单个传感光纤的多成分生物传感(liuz,weiy,zhangy,etal.,sensors&actuatorsbchemical,2016,226:326-331.)。
随着待测目标参量种类和特性的多样化及对低浓度微量物质传感的高灵敏度要求，使得传统光纤spr传感已逐渐无法满足实际检测的需要。随着监测的可靠性和实时性要求越来越高，如何进一步有效地提高系统探测的灵敏度，以及降低检测的成本与克服环境变化干扰的影响都成为spr传感研究领域亟待解决的问题。
(三)
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、传感灵敏度高的环形芯光纤spr传感器。
本发明的目的是这样实现的：
一种环形芯光纤spr传感器。它由输入光纤，环形芯光纤，spr传感纳米膜和输出光纤组成。所述系统中：环形芯光纤经过侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀，去除部分包层，在侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀区域制备一层spr传感纳米膜，形成spr传感区，输入光纤将光束耦合进环形芯内传输，光束传输spr传感区时，满足spr谐振条件的光波发生谐振，实现spr传感，携带传感信息的输出光耦合进输出光纤输出。
所述的输入光纤可以是单模光纤，与环形芯光纤偏置对芯焊接，向环形芯光纤内输入光束；输入光纤也可以是具有偏置纤芯的偏芯光纤，和环形芯光纤直接对芯焊接，向环形芯光纤内输入光束。
所述的输入光纤可以是偏芯螺旋光纤，纤芯的螺旋螺距可以是等值的，也可以是啁啾变化的。
所述的spr传感纳米膜可以是单层的金属纳米膜，也可以是金属纳米膜和介质纳米膜一起构成的多层谐振膜。
所述的传感纳米膜可以是金属纳米膜上沉积一层埃洛石纳米管涂层，增强spr传感效应。
所述的输出光纤可以是大芯径多模光纤，直接与环形芯焊接，输出传感信号光；也可以是单模光纤，和环形芯光纤焊接，并熔融拉锥，实现传感信号光耦合进单模光纤后输出。
本发明具备以下的几点优势：
(1)环形芯光纤内光束独特的螺旋传输方式能够实现spr的有效激发，减小了光纤传感区的长度。
(2)可以采用偏芯螺旋光纤来作为输入光纤，通过调节偏芯螺旋光纤的螺距来调节输入光的入射角度，从而优化spr激发效率。
(3)增加埃洛石纳米涂层作为spr传感增敏层，能够有效提高环形芯光纤spr传感的灵敏度。
(四)附图说明
图1(a)是环形芯光纤的端面结构，(b)为虚线处的折射率分布。
图2为环形芯光纤spr传感器的连接方式，采用的输入光纤是偏芯光纤2，偏芯光纤2和环形芯光纤1直接对芯焊接。输出光纤选用单模光纤3，采用熔融拉锥的方法和环形芯光纤连接，形成拉锥区4，从而输出传感光束。
图3为环形芯光纤spr传感器的连接方式，采用的输入光纤是标准单模光纤2-1，单模光纤2-1和环形芯光纤1偏置对芯焊接。
图4为环形芯光纤spr传感器的连接方式，采用的输入光纤为偏芯螺旋光纤2-2。
图5为输入光束在环形芯光纤的环形芯中的两种传输方式，其中(a)为子午光线7传播路径，其沿着光纤轴向向前传输，(b)为偏斜光线8传播路径，其沿着环形芯螺旋向前传输。
图6为高斯光束输入环形芯光纤后，光束传输的仿真结果。
图7为具有θ＝5°的倾斜高斯光束输入环形芯光纤后，光束传输的仿真结果。
图8为具有埃洛石纳米层的环形芯光纤spr增敏传感原理图。
图9为波长调制型环形芯光纤spr传感系统示意图。
图10为强度调制型环形芯光纤spr传感系统示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。
本发明采用环形芯光纤1作为spr传感光纤，该光纤具有一个环形的高折射率纤芯波导1-1，和低折射率包层结构1-2，如图1所示，其中(a)表示环形芯光纤的端面结构图，(b)为虚线处的折射率分布。
本发明提出的环形芯光纤spr传感器如图2、图3和图4所示，其由环形芯光纤1、输入光纤偏芯光纤2(或单模光纤2-1、偏心螺旋光纤2-2)、输出单模光纤3和纳米金膜5组成。环形芯光纤1经过侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀，去除部分包层，露出环形纤芯。在侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀区域制备一层spr传感用的纳米金膜5，形成spr传感区，输入光纤将光束耦合进环形芯内传输，光束传输至spr传感区时，满足spr谐振条件的光波发生谐振，实现对传感物质6的传感。其中环形芯光纤1和输出单模光纤3焊接后熔融拉锥，形成耦合锥区4，使得环形芯内的光束耦合至输出单模光纤3内输出。
如图2所示，输入光纤可以是具有偏置纤芯的偏芯光纤2，和环形芯光纤1直接对芯焊接，向环形芯光纤1内输入光束。如图3所示，所述的输入光纤也可以是单模光纤2-1，与环形芯光纤1偏置对芯焊接，向环形芯光纤1内输入光束；
为了更好地实现传输光波向spr的耦合，还采用了如图4所示的方案，采用偏芯螺旋光纤2-2作为输入光纤，和环形芯光纤1焊接。可以通过调整偏芯螺旋光纤2-2的螺距来调节光束输入环形芯光纤1的角度。
下面，首先通过仿真结果对环形芯光纤中光束的传输过程及spr激发方法进行详细说明：
一方面，可以先采用几何光学的方法对环形芯光纤内光纤传输和spr激发情况进行简单直观的分析和理解。和多模光纤的几何光学分析方法一样，在环形芯内传输的光纤可以分为子午光线和偏斜光线。如图5(a)所示，子午光线7是指在环形纤芯波导的内外边界之间来回震荡，并沿着入射方向向前传播的光线；如图5(b)所示，偏斜光线8是指沿着环形纤芯波导角向逐渐蔓延开来，盘绕着环形芯螺旋式前进的光线。这两种光线在环形芯光纤中的比例和光束输入条件以及光纤结构密切相关。当环形芯光纤中传输的光线在纤芯-金膜表面发生全反射的角度和spr激发角度相同时，该光线的能量将会向spr能量耦合，就形成了透射光谱中所谓的共振谷。
另一方面，这里还使用光束传播法(bpm)，对环形芯光纤内光束传输做了仿真分析。如图6所示，以高斯光作为输入源，在环形芯局部位置输入(z＝0μm)，随着光束向前传输(z方向)，光束会沿着环形芯波导的角向扩散(箭头所示)，最后充满整个环形芯，螺旋向前传输。由于仿真的光源选择的是理想的单色光源，所以在光束沿环形芯角向传输并相遇后会发生干涉现象，并形成光斑的分瓣，若输入光束为宽谱光束，则不会出现明显的干涉分瓣情况。
其次，结合仿真结果对本发明提出的优化的高效spr激发方法进行说明：
在前面已经对环形芯光纤内光束传输方式做了分析。如果采用常规的偏芯光纤，其输出可以看作以合适的高斯光作为输入源，在环形芯局部位置(z＝0μm)输入，其输入的偏角为θ＝0°，随着光束向前传输(z方向，即光纤的沿轴方向)，光束会沿着环形芯波导的角向扩散，最后充满整个环形芯，螺旋向前传输，如图6所示。如果采用偏心螺旋光纤，那么其输出可以看作以一个具有一定偏角θ的高斯光作为输入源，如图7所示的是θ＝5°情况下的环形芯光纤内光束传输情况，从仿真结果可以看出，采用单芯螺旋光纤作为输入光纤，光束大部分在环形芯光纤中沿着一个方向螺旋向前传输，这与常规的偏芯光纤输入的光束不同。可以通过改变偏芯螺旋光纤的螺距来调节输入光束的θ值，这样就能够对环形芯光纤spr的激发角度条件进行优化，得到最佳的激发条件。
再次，结合埃洛石纳米管涂层对本发明进行一个实施例说明：
埃洛石纳米管，来源于自然的矿物质沉积，由于其优秀的表面特性，其可作为一种新颖的纳米材料被应用于各种传感器。埃洛石纳米管有独特的形态结构，是具备内径和外径的空心圆柱体，长度范围可以在10-20nm，40-70nm，300-1500nm。埃洛石纳米管被广泛应用于药物的装载，存储，传输与释放。埃洛石纳米管在这些领域具有优异的表现能力，这是因为其具备有高比表面积，高机械强度，好的生物兼容性以及价格低廉和易于制备。对于传感应用，展现出的相对折射率为1.550，这有利于增强传感所用的消逝场。另外，其外表面携带负电荷，形成约-25mv的电势，这使其能够轻易实现很好的单分散态，并且能够和阳性的金属基底产生很强的电荷转移。近期的研究还表明，埃洛石纳米管具备很好的生物兼容性。
本发明在环形芯spr传感器的基础上，在纳米金属层上增加埃洛石纳米管涂层，以提高传感器的生物传感灵敏度。所述的增敏环形芯光纤spr传感器的结构如图8所示。其中1为环形芯光纤，5为金纳米膜，6为传感物质，9为输入高斯光束，10为输出的环形光束，11为埃洛石纳米管纳米涂层，12为激发的表面等离子体波。
最后，下面结合两个实施例对本发明在spr传感中的应用系统和调制方法进行说明：
实施例1：波长调制型。
采用如图9所示的波长调制型环形芯光纤spr传感系统。该系统的主要传感单元——环形芯光纤spr传感器被密封在一个传感环境腔14中，以宽谱光源13作为输入光源，2为输入光纤、3为输出光纤。传感物质的折射率变化会引起spr共振波长的平移，最后输出光谱变化(传感信息)被光谱仪15记录下来，实现环形芯光纤spr传感。
实施例2：强度调制型。
采用如图10所示的强度调制型环形芯光纤spr传感系统。系统中入射光源16具有单一波长，光源的输出经过一个1：99的光纤耦合器17分为两路，其中1％的一路接入功率计18-1，用于光源输出功率的监控，排除在传感过程中由于光源输出强度的不稳定性所带来的传感误差；99％的一路作为传感光路，接入环形芯光纤spr传感器，由功率计18-2检测其透射功率，通过监测透射光强度变化测量待测物质折射率。
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