一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光纤微环的表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)折射率传感器。
【背景技术】
[0002]表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)是一种光学物理现象。光源发出的P型偏振复色光以某一入射角由光密介质进入光疏介质发生全反射时，会有一少部分入射光渗透进金膜一定深度并呈指数衰减，这部分光称为倏逝波。倏逝波激发局限于金属表面上的自由电子，在金属薄膜与环境介质的界面上形成一种沿Z方向衰减的电磁波，称为表面等离子体波(Surface plasma wave，SPW)。当倏逝波平行于金属/电介质界面的分量与表面等离子体波的波矢完全匹配时，两种电磁波模式会发生强烈耦合，产生SPR效应，部分入射光的能量将被SPW吸收，从而导致该波段透射光能量的急速减少，产生SPR共振峰。
[0003]1968年，首次提出了基于光棱镜的表面等离子体共振模型，观察到了 SPR效应。后来采用衰减全反射(Attenuated Total Reflect1n，简称ATR)的方法在实验中实现了光频波段的表面等离子体的激发。1993年，Jorgenson等人成功研制出光纤SPR传感器，以光纤为载体的SPR传感器获得了关注。相比于棱镜SPR传感器，它具有灵敏度高、集成性好、体积小、抗电磁干扰能力强、易于实现长距离在线实时观测等诸多优点，在食物安全监测、化学分子检测、药物分析以及环境监测等相关领域有着广阔的应用前景。
[0004]通常基于光纤的表面等离子体共振传感器，是将光纤的包层腐蚀掉，在光纤纤芯外镀一层金属膜，或者将光纤拉制成很细的锥然后在锥的外侧镀膜，实现光纤中的倏逝波与金属膜相互作用产生SPR共振。这种基于腐蚀和拉锥技术的传感器，在实际测量使用中易断，造成资源浪费；此外，到目前为止提出的SPR传感器大部分都是透射型。本实用新型提出的一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器，是在细心光纤包层内制造出空气环，然后在空气环外侧壁镀一层金膜，除此之外，在传感头端面镀一层金膜形成反射型传感器，只需将传感头插入待测物质，待测样物质可以自动填充在包层的空气环内，进行液体、气体材料的传感测量，便于实现实时监测，而且传感头无锥区、结实耐用。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器。该装置能够将物质折射率的变化量转化为共振波长的变化。具有结构简单、易于操作、灵敏度高、实用性强等特点。
[0006]本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案:
[0007]—种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器，包括宽带光源、光隔离器、偏振控制器、3端口环形器、传感区、光谱仪，其特征在于:宽带光源的输出端与光隔离器相连，光隔离器的输出端与偏振控制器相连，偏振控制器的输出端与3端口环形器的一端相连，3端口环形器的另两端分别与传感区和光谱仪相连；所述传感区是在细心光纤的包层内制造出空气环，在空气环外侧壁镀一层金膜，此外，在光纤端面镀一层金膜形成反射型传感器；传感区由内到外依次是纤芯、靠近纤芯的剩余包层、空气层、金属层、外包层，纤芯的半径为3.5?4.0um，靠近纤芯的剩余包层厚度在1nm?150nm之间，空气环的厚度在1nm?50nm之间，金膜厚度在30nm?70nm之间，表面粗糙度的均方根小于等于5nm ；P偏振光由宽带光源、光隔离器以及偏振控制器结构产生。
[0008]本实用新型的有益效果为:
[0009]本实用新型提出的一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器，是在细心光纤包层内制造出空气环，然后在空气环外侧壁镀一层金膜，除此之外，在光纤端面镀一层金膜形成反射型传感器。这种特殊结构的设计能有效的激发SPR效应，只需将传感头插入待测物质，待测样物质可以自动填充在包层的空气环内，物质折射率的改变会导致空气环折射率的改变，使得SPR光谱发生变化，由于是反射型传感器，光两次通过金膜与物质的交界面，使得SPR效应双倍增强，通过检测一定波长范围内共振波长的位置改变，可以实现折射率的测量；此外，这种传感器的结构无锥区，传感头结实耐用。
【附图说明】
[0010]图1是本实用新型的一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器结构示意图。
[0011]图2是本实用新型的一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器的传感区横截面示意图。
[0012]图3是本实用新型的测量不同折射率物质时的SPR光谱图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
[0014]如图1所示，一种基于光纤微环的表面等离子体共振的折射率传感器，包括:由宽带光源(I)、光隔离器⑵、偏振控制器(3)、3端口环形器(4)、传感区(5)、光谱仪(6);宽带光源(I)的输出端与光隔离器(2)相连，光隔离器(2)的输出端与偏振控制器(3)相连，偏振控制器⑶的输出端与3端口环形器(4)的A端口相连，3端口环形器(4)的B、C端口分别与传感区(5)和光谱仪(6)相连；所述传感区(5)是在细心光纤包层内制造出空气环，然后在空气环外侧壁镀一层金膜，除此之外，在光纤端面镀一层金膜(f)形成反射型传感器；传感区(5)由内到外依次是纤芯(a)、靠近纤芯的剩余包层(b)、空气层(C)、金属层(d)、外包层(e)，纤芯的半径为3.5?4.0um,靠近纤芯的剩余包层厚度在1nm?150nm之间，空气环的厚度在1nm?50nm之间，金膜厚度在30nm?70nm之间，表面粗糙度的均方根小于等于5nm;P偏振光由激光光源(I)、光隔离器(2)以及偏振控制器(3)结构产生。
[0015]本实用新型的工作方式为:宽带光源(I)产生信号光，由单模传输光纤输入到光隔离器(2)，光隔离器(2)输出的光信号通过偏振控制器(3)控制输出变成P偏振光，P偏振光由3端口光环行器(4)的A端口输入，B端口输出到传感区(5)，传感区(5)由于外部包层厚度减小，纤芯模部分能量以倏逝波的形式耦合进空气环中传输，空气环中的倏逝波与金属表面等离子体波在环外侧壁所镀金膜界面处发生SPR效应，光传播到端面所镀金膜(f)处时发生反射，当再次经过金膜界面时，SPR效应倍增。由纤芯(a)、靠近纤芯的剩余包层(b)、空气层(C)、金属层(d)和外部包层(e)所组成的传感区(5)对空气层中折射率的变化非常敏感，随着不同折射率的物质通入空气环，产生SPR效应的谐振波长发生变化并由光谱仪(6)输出，通过检测共振波长的漂移量，可以实现高灵敏度的物质折射率的测量。
[0016]该装置能够实现一种基于光纤微环的表面等离子体共振传感器折射率测量的关键技术有:
[0017]光纤传感区结构:在细心光纤光纤的包层内制造出空气环，在空气环外侧壁镀一层金膜所构成的传感区结构是实现折射率传感的基础。传感器各参数:纤芯半径为3.5?
4.0um ;纤芯剩余包层的厚度应控制在50nm?200nm之间；空气环的厚度应控制在1nm?50nm之间；金膜的厚度应严格控制30nm?70nm之间，金膜表面的粗糙度的均方根应小于等于5nm0
[0018]本实用新型的一个具体实施例中，使用有限元分析软件法对该传感器的传感特性进行理论数值研究，研究了光纤各结构参量对传感器特性的影响规律。在测量波长为400?1400nm范围内，各参数:纤芯半径为3.5um，靠近纤芯剩余包层50nm，空气环厚度50nm，金膜厚度50nm，得到SPR共振波长随待测物质折射率变化的曲线如图3。可以看出在折射率为1.0时，在波长为SOOnm附近发生了 SPR共振，且随着待测物质折射率的增加，共振波长向短波方向移动。在折射率1.0附近，传感器的灵敏度可达2000nm/RIU。
[0019]以上所述及图中所示的仅是本实用新型的优选实施方式。本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器，包括宽带光源、光隔离器、偏振控制器、3端口环形器、传感区、光谱仪，其特征在于: 宽带光源的输出端与光隔离器相连，光隔离器的输出端与偏振控制器相连，偏振控制器的输出端与3端口环形器的一端相连，3端口环形器的另两端分别与传感区和光谱仪相连；所述传感区是在细心光纤的包层内制造出空气环，在空气环外侧壁镀一层金膜，此外，在光纤端面镀一层金膜形成反射型传感器；传感区由内到外依次是纤芯、靠近纤芯的剩余包层、空气层、金属层、外包层，纤芯的半径为3.5?4.0um，靠近纤芯的剩余包层厚度在1nm?150nm之间，空气环的厚度在1nm?50nm之间，金膜厚度在30nm?70nm之间，表面粗糙度的均方根小于等于5nm ；P偏振光由宽带光源、光隔离器以及偏振控制器结构产生。
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器，其特征包括宽带光源、光隔离器、偏振控制器、3端口环形器、传感区、光谱仪；所述传感区是在细心光纤的包层内制造出空气环，在空气环外侧壁镀一层金膜，此外，在光纤端面镀一层金膜形成反射型传感器；所述传感区由内到外依次是纤芯、靠近纤芯的剩余包层、空气层、金属层、外包层；由于在金属薄膜表面所引起的表面等离子体共振效应极易受到周围介质环境的影响，所以向空气环中注入不同折射率的物质，共振峰的位置会发生变化，通过监测共振峰的位置变化，可以实现物质折射率的测量。本实用新型实用、抗外界干扰能力强、灵敏度高，此外，反射型传感器使得共振效应双倍增强，易于监测。
【IPC分类】G01N21/41
【公开号】CN205175909
【申请号】CN201520877006
【发明人】赵春柳, 王雁茹, 王东宁
【申请人】中国计量学院
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年11月5日