一种多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感在线检测技术领域，具体涉及一种多模光纤和单模光纤组成 的新结构光纤表面等离子体共振传感器及其检测方法。
【背景技术】
[0002] 光纤表面等离子体共振传感器是1993年美国华盛顿大学R. C. Jorgensen根据棱 镜型表面等离子体共振传感器的原理，提出的一种新型表面等离子体共振传感器。这种结 构的表面等离子体共振传感器用多模或单模光纤代替棱镜作为激发产生表面等离子体共 振效应的耦合介质，提高了传感器的稳定性，能够更好的远程实时在线检测。目前，光纤表 面等离子体共振传感器受到了广泛关注和研究。锥形、楔形、D型、MSM等结构的光纤表面等 离子体共振传感器相继被提出，有效提高了光纤表面等离子体共振传感器的灵敏度和检测 精度。
[0003] 然而，传统光纤表面等离子体共振传感器和锥形、楔形、D型结构的光纤表面等离 子体共振传感器都需要对光纤包层处理作为敏感单元，去包层时容易有包层残留，限制了 传感器灵敏度，多模-单模-多模（MSM)结构的光纤表面等离子体共振传感器利用泄露到 单模光纤包层里面的光进行检测，避免了对光纤包层的处理，但这种结构的传感器光损耗 达60%，弱信号检测困难。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是，针对现有光纤表面等离子体共振传感器存在的上述 不足，提供一种多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器及其检测方法，将多模光纤 和单模光纤熔接，通过在单模光纤包层表面沉积纳米薄膜，采用在线传输式检测和终端反 射式检测两种方式实现对外界不同折射率物质的检测。
[0005] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器，至少包括宽谱光源、多模光纤、镀 膜敏感单元、光谱仪和计算机，宽谱光源的输出端与光隔离器连接，光隔离器与光纤耦合器 或光环形器的A端口连接，光纤耦合器或光环形器的B端口经多模光纤与镀膜敏感单元连 接，光纤耦合器或光环形器的C端口经光谱仪与计算机连接。
[0007] 按上述方案，当光纤表面等离子体共振传感器采用在线传输式检测时，宽谱光源 的输出端直接经多模光纤与镀膜敏感单元连接，镀膜敏感单元的输出端经光谱仪与计算机 连接。
[0008] 按上述方案，所述宽谱光源为白光光源，波长在350~1600nm范围内连续变化，波 谱平滑稳定无突变。
[0009] 按上述方案，所述光纤耦合器为一分二光纤耦合器（能实现一分二效果）。
[0010] 按上述方案，所述镀膜敏感单元为一段沉积有纳米薄膜的单模光纤，纳米薄膜的 起点为多模光纤与单模光纤熔接处，所述单模光纤去除涂敷层后直接在包层上沉积纳米薄 膜。
[0011] 按上述方案，所述纳米薄膜包括金属薄膜、氧化物调制薄膜、金属纳米粒子和湿 度、温度、应力敏感的功能材料薄膜及特异性功能薄膜。
[0012] 本发明还提供了一种上述多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器的检测 方法，通过泄漏到单模光纤包层的光与镀膜敏感单元作用产生的表面等离子体共振效应对 液体和气体进行检测，检测方式分为在线传输式检测和终端反射式检测：
[0013] 1)在线传输式检测，直接用光谱仪在单模光纤末端检测输出信号；
[0014] 2)终端反射式检测，具体分为两种处理方式：i) 一种是直接在单模光纤末端镀反 射膜，在输入端用光纤耦合器或光环形器对反射回来的光进行检测；ii)另一种是在单模 光纤末端连接一个微球，在微球上镀反射膜，然后在输入端用光纤耦合器或光环形器对反 射回来的光进行检测。
[0015] 本发明的有益效果：本发明与传统光纤表面等离子体共振传感器相比较，采用多 模-单模（MS)结构，有效避免了单模到多模光纤的二次损耗，同时该结构充分利用了泄漏 到光纤包层的光，有效避免了对镀膜敏感单元光纤包层的处理，避免了残留包层对传感器 性能的影响，提高了传感器灵敏度，提高了传感器的光传输效率，有效实现了弱信号检测， 降低了传感器制作难度，有助于实现产业化。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器的在线传输式检测系 统图；
[0017] 图2为本发明多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器采用光纤耦合器的终 端反射式检测系统图；
[0018] 图3为本发明多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器采用光环形器的终端 反射式检测系统图；
[0019] 图4为本发明多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器原理图；
[0020] 图中，1 :宽谱光源；2 :光隔离器；3 :光纤耦合器；4 :光环形器；5 :多模光纤；6 :镀 膜敏感单元；7 :光谱仪；8 :计算机。
【具体实施方式】
[0021] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。
[0022] 如图1~图3所示，本发明所述的多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感器， 其中图1为在线传输式检测，由宽谱光源1、多模光纤5、镀膜敏感单元6、光谱仪7和计算机 8组成，从宽谱光源1发出的光经过多模光纤5传输到镀膜敏感单元6,发生表面等离子体 共振效应，出射的光由光谱仪进行检测，在计算机上显示。图2和图3为终端反射式检测， 由宽谱光源1、隔离器2、光纤耦合器3或光环形器4、多模光纤5、镀膜敏感单元6、光谱仪7 和计算机8组成。从宽谱光源1发出的光经过光隔离器2,传输到光纤耦合器3或光环形器 4的A端口，进入多模光纤5传输到镀膜敏感单元6,发生表面等离子体共振效应，在镀膜敏 感单元6 (单模光纤）末端发生反射，反射光进入光纤耦合器3或光环形器4的B端口，在 光纤耦合器3或光环形器4的C端口由光谱仪7进行检测，在计算机8上显示。终端反射 式检测，具体分为两种处理方式：i) 一种是直接在单模光纤末端镀反射膜，在输入端用光 纤耦合器3或光环形器4对反射回来的光进行检测；ii)另一种是在单模光纤末端连接一 个微球，在微球上镀反射膜，然后在输入