一种螺旋芯光纤spr传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤SPR传感技术领域，具体涉及的是一种可以广泛应用于生物传感、 化学分析、药品研发、食品安全、环境监测、医学诊断等领域的螺旋芯光纤SPR传感器。
【背景技术】
[0002] 信息获取与处理已经成为现代信息技术领域的核心，对社会发展、科技进步起着 重要的作用。传感器作为信息获取与处理系统中最核心的部件，直接面向被测量的对象，将 被测对象参数转换为信号，是现代信息技术的重要基础，在现代社会发展中有着广泛的应 用。表面等离子体共振技术(Surface Plasmon Resonance,SPR)以其对外界介质折射率细 微变化极其敏感的特性，近年来在传感领域的应用日趋广泛，并得到了飞速的发展。光纤 SPR传感技术将SPR技术和光纤传感技术有效的结合起来，实现光纤表面等离子体共振传感 测量。光纤SPR传感器具有传统传感器件无法比拟的优势，可以用于非常狭小空间的测量。 以往的SPR传感器采用棱镜作为光学耦合器件，由于棱镜体积大，对装置设置要求高，因此 限制了它的应用，而使用光纤作为耦合器件，不但可以用于狭小空间实现测量，而且性能稳 定，不易受外界因素的影响。此外，光纤SPR传感器具备了光纤可以远距离传输和实时性好 的特点，因此光纤SPR传感器可实现远距离实时在线检测的功能。光纤SPR传感器还可以有 效的与其他光学器件进行集成，具有良好的稳定性和灵活性。
[0003] 表面等离子体共振是一种物理光学现象，表面等离子体波是沿着金属和电介质间 界面传播的电磁波，当特定波长偏振光以某一特定的角度入射到分界面而发生全反射时， 入射光被耦合为表面等离子体波而被衰减，引起界面全反射的光能量呈指数衰减，发生表 面等离子体共振。发生共振时的入射角称为共振角。在实际的应用中，为了获取共振角，通 常对直波导光纤进行一系列复杂的操作工艺，以求获取共振角。文献（Analytical Chemistry，0003-2700，1994，66卷，7期，963页）中介绍了 一种制作方法，首先将光纤涂覆层 去除，然后将光纤黏贴到一个弯曲的铝抛光片上，在抛光的过程中需要用氦氖激光束监测， 当抛磨到通过光线的激光强度开始下降时，停止抛磨，此种方法工艺复杂，而且制备精度较 低。文献（Sensors and Actuators B 51(1998)311-315)和文献（Sensors and Actuators B 29 (1995)401-405)中介绍的SPR传感器虽然获得了较好的传感特性，但是为了获得共振 的条件，都是通过弯曲光纤以获得共振角，由于光纤材料特性，光纤很容易被折断，稳定性 和一致性较差。
[0004] 随着SPR传感器应用领域的日益广泛，其在很多领域广阔的应用前景得到了研究 者的认同，越来越多的学者被SPR传感器的应用前景和潜力所吸引，投入到SPR传感器研究 当中。
[0005] 申请号为201510400263.6的发明专利中介绍了一种分布式表面等离子体共振光 纤传感器，在双芯光纤上加工有成对满足一定错位长度分布的V型槽，在V型槽斜面上镀有 传感层，此种结构的光纤SPR传感器虽然能够很好地与全光纤系统进行低损耗链接，但是由 于制备工艺要求较高、难以实现批量制备。申请号为201410610073.2的专利介绍了一种基 于周期性金属结构的光纤局域表面等离子共振传感器，在光纤纤芯的传感区的外周面上设 置有纳米尺度的周期性金属纳米螺旋状结构，以激发局域表面等离子体共振效应。申请号 为200910073960.X专利提出一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，采用棱镜作为 耦合器件，体积大，限制了其应用范围。申请号为201210067372.的专利中介绍一种石墨烯 薄膜增敏的D型光纤SPR传感器及其制备方法，在银膜层表面沉积石墨烯薄膜层来增加该 SPR传感器的灵敏度。该方法具有一定的新颖性，具有灵敏度高和响应快的优点，但是在传 感器结构上没有新的改进，达到等离子体共振条件比较困难。
[0006] 本发明针对以上在先技术存在的优点和不足。提出一种螺旋芯光纤SPR传感器。纤 芯的螺旋弯曲结构是建构在光纤的内部，通过合理的设置螺距和曲率等几何参数，不仅可 以有效的将高阶模式去除，实现单模传输，从而实现高分辨率、高稳定性SPR的测量，而且通 过对获得各种角度的SPR共振角，从而满足不同的测量需求。本发明在保留了全光纤SPR传 感器体积小、不易受外界环境影响的同时，还具有制作简单、实用性强等特点。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种具有高分辨率、稳定性强、结构简单，可实现不同角度 SPR共振角等特点的螺旋芯光纤SPR传感器。
[0008] 本发明的目的是这样实现的：
[0009] -种螺旋芯光纤SPR传感器，由输入光纤1、输入光纤的纤芯2、光纤焊接面、螺旋光 纤芯4、光纤D型剖面5、金纳米膜6、输出光纤8、输出光纤的纤芯9组成;所述螺旋芯光纤SPR 传感器，是由两端各自焊接一段标准单模光纤，中间焊接一段螺旋芯光纤的三明治结构组 成;螺旋芯光纤是借助于热融旋转技术制备而成的;通过采用光纤侧抛方法，使得该螺旋芯 光纤部分光纤芯裸露，最后，采用溅射法在该抛光面制备适当厚度的金纳米膜;就构成了该 新型螺旋芯光纤SPR传感器。
[0010]本发明中金属膜采用金或金属银来制备;膜的厚度为50nm。
[0011] 所述螺旋芯光纤SPR传感器两端与标准单模光纤进行连接或制作成标准光纤器 件，插入光纤测量系统中。
[0012] 本发明的有益效果在于：
[0013] 本发明采用螺旋芯光纤结构制作光纤SPR传感器，这种螺旋芯光纤的优势在于将 纤芯的弯曲结构置于光纤内部。用螺旋的等效曲率半径代替光纤的弯曲半径，可以实现弯 曲光纤所不能实现的小弯曲半径，通过合理的设置几何和物理参数，可以提供一个有效的 单模输出，提高了 SPR测量的分辨率和稳定性，此外，采用螺旋芯光纤另外一个优势在于，更 容易找到SPR共振角，通过调整螺旋光纤的螺距，可以得到各种角度的SPR共振角，进而满足 不同的测量需求。本发明在保留了全光纤SPR传感器体积小、不易受外界环境影响的同时还 具有制作简单、一致性好、适于批量规模化制作的优点。
【附图说明】
[0014] 图1是螺旋芯光纤SPR传感器示意图。
[0015]图2是螺旋芯光纤结构示意图。
[0016]图3是一个周期的螺旋芯光纤直角坐标系中的平面示意图。
[0017] 图4单周期螺旋芯光纤SPR直角坐标结构示意图。
[0018] 图5-段螺旋芯在螺旋坐标中分析示意图。
[0019] 图6是螺旋芯光纤SPR反射功率谱曲线图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合具体的附图来进一步阐述本发明。
[0021]本发明提供的是一种螺旋芯光纤SPR传感器。其特征是:它由输入光纤1、输入光纤 的纤芯2、光纤焊接面3和7、螺旋光纤芯4、光纤D型剖面5、金纳米膜6、输出光纤8、输出光纤 的纤芯9组成。本发明采用偏心光纤，借助于热融旋转技术制备螺旋芯光纤，采用光纤侧面 抛方法使