光纤包层表面Bragg光栅生化传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光纤传感器，具体设及光纤包层表面化agg光栅生化传感器及其制作 方法。
【背景技术】
[0002] 光纤光栅W其微型尺寸、抗干扰能力强、高灵敏度、绝对测量等优点，为光学传感 器家族在军用及民用工程的结构监测、海下油田W及许多其他领域的应用提供了重要手 段。开发对外部介质折射率敏感的光纤光栅生化传感器已成为光学传感和生物化学、生物 医学等学科的交叉领域的研究热点之一。如血糖浓度测量、药物的筛选、食品中细菌病毒的 检测，DNA杂交、生物分子相互作用的原位监测，氨气、TNT炸药的探测等，均通过光纤光栅 生化传感器测量外部介质折射率的微小变化量，间接的估算被测参量的值或评估生化过程 参量的状态信息。
[0003] 光纤光栅包括光纤化agg光栅和长周期光纤光栅两种基本类型。其中，长周期光 纤光栅是将纤忍模到同向包层模，包层模的倏逝场能够受到外部待测介质的影响导致其谐 振波长或强度的变化进行测量，因此长周期光纤光栅本质上不需要经过任何处理即可实现 折射率的传感，但是，长周期光纤光栅不仅对折射率十分的敏感，而且对溫度、应变等物理 参数也十分的敏感，因此当将其应用于生化方面的传感时，会存在严重的交叉敏感问题；此 夕F，长周期光纤光栅的3地谐振带宽一般〉20nm，因此理论上其对外部参量的检测精度较 低。
[0004] 而光纤化agg光栅是同向纤忍基模到反向纤忍基模的禪合，其倏逝场的能量仅仅 局限于纤忍的内部，因此它本质上对折射率不敏感，仅对溫度、应变或压力敏感，但是光纤 Bragg光栅的3地谐振带宽很窄（0. 1皿~0. 5nm)，因此，理论上其对外部参量的检测精度 很高；此外，光纤化agg光栅的溫度/应变灵敏度较长周期的溫度/应变灵敏度低得多，因 此其交叉敏感效应很小。过去十多年，为了使得传统光纤Bragg光栅对外部介质折射率敏 感，许多人采用化学溶液腐蚀或侧面研磨的方法去除光纤化agg光栅的全部包层或大部分 包层，形成微米直径量级的化agg光栅（直径3μηι~15μηι、长度1mm~20mm)，于是可使 其纤忍模的倏逝场透射到外部待测介质中，则光纤化agg光栅将对外部介质折射率的变化 将十分敏感，从而可将其应用于生物化学、医学、生命科学等相关领域的各种参量和检测。 但化学腐蚀或侧面研磨光纤化agg光栅包层的方法存在许多的缺点，比如：1)无法保证光 栅表面的均匀性，因此使得光栅的谐振光谱展宽，导致传感中的测量精度降低，甚至无法使 用；2)降低了光纤化agg光栅的机械强度，导致使用过程中操作困难、容易折断。3)化学腐 蚀或侧面研磨的过程耗时较长，过程不好控制，重复性不好。
[0005] 为综合解决长周期光纤光栅或腐蚀/研磨型光纤化agg光栅独立作为折射率传 感器存在的问题，与本发明类似的有2010年M.Han等提出基于"长周期光纤光栅-光纤 Bragg光栅"组合式的折射率-溫度传感器，利用其中的光纤化agg光栅的包层模实现折射 率的传感，它的原理是：带宽光源发出的宽带光先经过长周期光纤光栅，然后再传输到光纤 Bragg光栅；当光传输到长周期光纤光栅处，部分纤忍模的能量将禪合到包层模中传播，当 运部分W包层模形式传输的光能量与余下纤忍模的能量传播到光纤化agg光栅处时，分别 满足光纤化agg光栅的包层模和纤忍模谐振条件的波长的光能量将被反射回来；同样的， 反射回来的包层模传输到长周期光纤光栅时，将部分禪合至纤忍中，反射回来的纤忍模传 输到长周期光纤光栅时将部分能量重新禪合到包层中传输，剩余的纤忍模能量穿过长周期 光纤光栅继续传输，于是在反射端可W检测到两个谐振峰，前者对溫度与折射率均敏感，而 后者仅对溫度敏感，且有几乎相同的溫度灵敏度。基于"长周期光纤光栅-光纤化agg光 栅"组合式的折射率-溫度传感器的优点在于能够对折射率和溫度同时传感，并且保持了光 纤Bragg光栅的窄带谐振峰的特点，提高了对折射率的传感精度，此外，不需要对光纤做任 何处理，保持传感器的完整性和鲁棒性。但其缺点是：其中的光纤化agg光栅采用的是传统 的紫外曝光相位掩膜法制作，且需要使用具有对光子敏感的包层的特种光纤材料来制作光 纤化agg光栅，W保证在写入纤忍化agg光栅的同时，在包层和纤忍的交界面附近形成包层 内部的化agg光栅，但该方法形成的包层内部的化agg光栅的强度很小，因此包层模谐振的 反射强度十分微弱，而且包层模和纤忍模的谐振经过长周期光纤光栅的两次能量禪合，因 此能检测到的反射强度也很低；此外，由于它的包层内部化agg光栅处于包层和纤忍的交 界面附近，因此该化agg光栅结构对低阶包层模的影响较大，而对高阶包层模的影响很小， 而低阶的包层模的折射率灵敏度非常低，实验得到仅为约2. 3nm/RIU，远低于传统长周期光 纤光栅的折射率灵敏度。
【发明内容】
[0006] 针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供光纤包层表 面化agg光栅生化传感器及其制作方法。
[0007] 为了解决上述技术问题，根据本发明的技术方案，光纤包层表面化agg光栅生化 传感器，包括光纤纤忍和包裹光纤纤忍的光纤包层，其特征在于：所述光纤纤忍的前段设置 长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅作为光纤纤忍和光纤包层的光共振禪合器，用于将纤 忍模禪合到同向包层模或将包层模禪合到纤忍模；在光纤包层的中段外表面设置光纤包层 表面化agg光栅，该光纤包层表面化agg光栅由若干个点状凹槽构成或者由若干条相互平 行的线状沟槽构成；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布，并对光纤 包层外表面进行结构性损坏；所述线状沟槽的槽道沿光纤圆周方向分布，所有线状沟槽的 轴对称线在一条直线上，且该直线与光纤中屯、轴平行；所有点状凹槽的中屯、点位于一条直 线上，且该直线与光纤中屯、轴平行；该光纤包层表面化agg光栅作为光纤包层模谐振的反 射器件；在长周期光纤光栅后方的光纤纤忍上设置有光纤化agg光栅，该光纤化agg光栅作 为光纤基模谐振的反射器件，起溫度补偿的作用。
[0008] 本发明传感器结构独特之处在于采用光纤包层表面化agg光栅作为外部介质折 射率传感单元，能在包层表面造成很强的折射率条纹调制，它对高阶包层模的影响很大，因 此，可在包层内获得很强的包层模谐振，同时具有很高的折射率灵敏度；此外，光纤包层表 面化agg光栅保持了传统光纤化agg光栅的窄谐振带宽特性，因此具有很高的Q值因子，对 折射率的测量精度远高于长周期光纤光栅；其次，光纤包层表面化agg光栅结构还保留了 传统光纤化agg光栅相对于长周期光纤光栅低得多的溫度、应变灵敏系数，因此，光纤包层 表面化agg光栅较长周期光纤光栅具有低得多的溫度/应变交叉敏感效应；最后，光纤包层 表面化agg光栅生化传感器不需要对光纤包层做腐蚀或研磨处理，保持了传感器的完整性 和鲁棒性。整个传感器所需要的光纤共振禪合器即长周期光纤光栅、光纤包层表面化agg 光栅、溫度补偿单元即光纤化agg光栅都集成在一段光纤上，使整个传感器完全光纤化、微 型化，且结构简单、体积小，环境适应能力强，精确确定该光纤包层表面化agg光栅的窄带 谐振波长的漂移，测试结果稳定可靠。
[0009] 本发明光纤包层表面化agg光栅生化传感器对折射率十分敏感的原理是：由于 Bragg光栅结构处于包层的外表面边界，所W该化agg光栅对高阶包层模光波场中符合谐 振条件的光波长的反射远大于对低阶包层模光波场中符合谐振条件的光波长的反射，又由 于外部介质折射率变化对高阶包层模倏逝场的影响远大于对低阶包层模倏逝场的影响，因 此，当外部待测介质的折射率发生变化的时