光纤谐振器中表面等离子体谐振的光腔衰荡检测法的制作方法

专利名称：光纤谐振器中表面等离子体谐振的光腔衰荡检测法的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及包含表面等离子体传感器的光腔衰荡
(ring-down)检测系统并且，尤其涉及使用光腔衰荡光谱测量表面等离 子体传感器附近的环境变化。尤其是，本发明允许在表面等离子体检 测器的涂覆光纤表面进行对结合事件的高灵敏度检测。
背景技术：
尽管本申请涉及利用光腔衰荡辅助表面等离子体检测来测量环 境的变化，但是下面的有关吸收光谱的背景技术可能会有助于理解本 发明。
参照附图，其中相同的附图标记始终表示相同的元件，图U兑明 了对数标度上的电磁波谱。光谱科学研究光谱。与有关光谱的其它部 分的研究相比，可见光学尤其涉及可见和近可见光，即波长由lmm延 伸至lnm的可用光谱中的非常狭窄的一部分。近可见光包括波长比红 光稍长的光(红外光)和波长比紫光稍短的光(紫外光)。该范围刚 好延伸到人类可见范围的任意一侧，从而该光仍然可以利用大部分由 通常用于可见光的材料制成的透镜和反射镜进行处理。通常必须考虑 材料的光学特性的波长依赖性，以确保由这些材料制成的光学元件具 有预期的效果。
吸收型光谱提供了高灵敏性，微秒级的响应时间、抗污染性以及 只会受到来自除了所研究物质(species)之外的分子物质的有限干扰 的特性。可通过吸收光谱检测或确定不同的分子物质。从而，吸收光 谱提供了一种用于检测重要的痕量物质的常规方法。在气相中，由于 元素吸收强度集中于一组尖锐的光谱线，所以这种方法的灵敏度和选 择性达到最佳。光谱中的窄线可用于区别大多数干扰物质。
在很多工业过程中，期望以很高的速度和精度测量和分析流动的 气体流和液体中痕量物质的浓度。当污染物浓度对最终产物的质量十 分重要时，需要这种测量和分析，但是即使在不需要的时候也仍然是
需要这种测量和分析。例如，使用诸如N2、 02、 H2、 Ar、和He的气 体制造集成电路，例如，而杂质在这些气体中的存在——即使是十亿 分之几(ppb)的水平——也可能会造成损害并减少可用的集成电路 的产量。因此，对水和其它潜在污染物能进行相对高灵敏度的光谱法 监测对半导体工业用的高纯气体的制造是重要的。同样，在很多其它 工业应用中，也必须检测这些和其它不同的杂质。
另外，无论是固有的还是有意释放的，所有种类的流体中出现的 杂质近来已经引起了特别的关注。光谱方法提供了一种方便的手段以 监测被有害的化学和生物制剂污染的诸如气体和液体(即空气和水) 的流体。这些方法还可以用来检测诸如炸药和毒品的材料的化学特 征。
在所有的这些应用中，对任何检测方法来说灵敏度都是一个重要 的考虑因素。光谱法对高纯气体中的气态杂质的检测已经达到了百万 分之几(ppm)的水平。在某些情况下可获得ppb级的检测灵敏度。 因此，诸如气体中的定量污染物监测的应用中使用了多种光谱方法， 这些方法包括在传统的长路径长度单元中的吸收测量、光声光谱、 频率调制光谱、以及腔内激光吸收光谱。不幸的是，这些方法具有一 些如授权给Lehmann的美国专利5，528，040号中所讨论的特征，使得它
们难以使用且工业应用上难于实施。因此，它们主要限于实验室研究。 相反，光腔衰荡光谱法(CRDS)已经成为应用于科学、工业生 产过程控制、以及大气痕量气体检测的重要的光谱技术。已经证明 CRDS为在低吸收方面具有优势的测量光学吸收的技术，传统的方法 在该方面的灵敏度不够。CRDS使用高精密光学谐振器中的光子的平 均寿命作为吸收灵敏度观测量。
典型地，该谐振器包括一对名义上等价的、窄带、超高反射率的 介质镜，适当构造以形成一稳定的驻波光学腔，或谐振腔。激光脉冲 通过一个反射镜入射至谐振腔中以经历一平均寿命，该平均寿命由光
子来回路程的传输时间、谐振腔的长度、吸收横截面和被检测的物质 的粒子密度，以及一说明固有谐振腔损耗的因数(当忽略衍射损耗时， 该因数主要是由于频率相关反射镜的反射率而引起的)决定。因此，光吸收的确定由传统的功率比测量转换为衰变时间的测量。CRDS的 最终的灵敏度由固有谐振腔损耗的大小决定，通过使用诸如可以制造 超低损耗光学元件的超抛光的技术能够使得固有损耗最小化。目前，CRDS局限于用于生产高反射率介质反射镜的光谱区域。 由于具有足够高反射率的反射镜现在还不存在，因此严重局限了该方 法在许多紫外和红外区域中的有效性。即使在存在合适的介质反射镜 的区域中，每组反射镜仅仅能在一个很小的波长范围内操作，典型的 是百分之几的分数范围。此外，很多介质反射镜的构建需要使用随时 间退化的材料，尤其是在暴露于化学腐蚀环境中时更是如此。由于这 些现存的局限性限制或阻止了CRDS在很多潜在应用中的使用，已经 清楚地认识到需要在关于谐振腔结构的现有技术的基础上作出改进。当光以大于临界角的角度照射到传播介质的折射率较低的表面 上时，发生全反射，即出现全内反射(TIR)。见J.D.Jackson， "Classical Electrodynamics" Chapter7， John Wiley&Sons， Inc.:New York, NY (1962)。然而，在反射点之外存在一个场，它是非传播的并且随着 距界面的距离按指数规律衰减。这种消逝场在纯的电介质中不携带能 量，但是反射波的衰减使得可以观测在消逝场区域中出现的吸收元 素。F.M.Mirabella(ed.)， "Internal Reflection Spectroscopy", Chapter 2， Marcel Dekker， Inc: New York, NY (1993)。 A.Pipino等的论文 "Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal reflectionminicavity"， Rev.Sci.Instrum.68 (8) (Aug.1997)，提出了利 用TIR改进谐振腔结构的方法。这种方法利用了单片的、具有至少一 个凸平面的规则多边形几何结构(例如，正方形和八边形)的TIR环 状谐振腔(即，行波光腔)。光脉冲由位于谐振腔外邻近区域的第一 棱镜完全反射，从而生成消逝波，该消逝波可通过光子隧道效应进入 谐振腔并激发谐振腔的稳定模式。
从单片谐振腔中的光子的平均寿命可获得位于谐振腔的全反射 表面处的物质的吸收光谱，该寿命可根据通过与第二棱镜(也是位于 谐振腔外但在其邻近区域中的全反射棱镜)输出耦合而在一检测器处 接收到的信号的时间相关性而得出。这样，光学辐射通过光子隧道效 应进入和离开谐振腔，这使得能够对输入和输出耦合进行精确控制。从而，得到了CRDS微型谐振腔的实现，而且TIR环形谐振腔将CRDS 概念扩展到凝聚物质光谱学。TIR的宽带特性避开了传统的气相 CRDS中由介质镜带来的窄带限制。需要注意，A. Pipino等的工作仅 仅适用于TIR光谱学，其本征地受限于整个吸收路径长度很短的情况， 而且由此受限于较高的吸收强度。授权给Lehmann等的美国专利5,973,864号、6,097,555号、 6,172,823 Bl号、以及6,172，824B1号中对基于反射镜的CRDS系统提 供了多种新方法，这里通过引用方式将这些方法并入此处。这些方法 教导了由两个反射元件或棱镜元件形成的近共焦谐振腔的使用。图2示出了现有技术的CRDS检测器10，其中衰荡腔(RDC)单元 60是驻波结构。如图2所示，光由窄带、可调、连续波二极管激光器 20产生。可以通过温度控制器30激光器20进行温度调节，以便将其波 长调整为分析物的预期的光谱线。隔离器40位于激光器20前方，并且 与激光器20发出的辐射同轴(inline)。隔离器40提供单向传输通道， 允许来自激光器20的辐射通过而阻止辐射以相反方向传播。这样的隔 离器减少了激光器20中的噪声，这些噪声由返回到激光器腔中的不期 望的光反射或光散射引起。单模光纤耦合器(F.C.) 50将从激光器20 发出的光耦合至光纤48中。光纤耦合器50被置于隔离器40前方，并与 隔离器同轴。光纤耦合器50接收并加持住光纤48，并将由激光器20 发出的辐射导向第一透镜46并从中穿过。第一透镜46收集并聚焦该辐 射。由于激光器20发出的光束模式与光纤48中的传播的光模式不完全 匹配，因此不可避免地存在失配损耗。需要注意，可以选择性地使用 自由空间光学系统来传输激光。激光辐射被近似地模式匹配入RDC单元60。反射镜52将该辐射导 向分光器54。分光器54使得辐射的约90%导向第二透镜56并从中穿
过。第二透镜56收集该辐射，并将其聚焦至单元60中。剩下的辐射穿 过分光器54，并由反射镜58引导入分析物参考单元90。穿过分析物参考单元90传输的辐射被导向第四透镜92且从中穿 过。第四透镜92位于分析物参考单元90和第二光电检测器94 (PD2) 之间。光电检测器94向计算机和控制电子设备100提供输入信号。单元60由两个高反射率反射镜62、 64构成，它们作为近共焦标准 具沿轴线a对准。反射镜62、 64组成单元60的输入和输出窗口。所研 究的样本气体通过窄管66流动，该管与单元60的光轴a共轴。反射镜 62、 64被置于用真空波纹管密封的可调法兰或底座上，以使得可以调 节单元60的光学对准。反射镜62、 64具有高反射率电介质涂层并以涂层面向由单元60 形成的腔的内侧的方式取向。激光的一小部分通过前反射镜62进入单 元60，并在单元60的腔内反复"环回振荡(riiig)"。穿过单元60的后 反射镜64 (反射器)透射的光被导向并穿过第三透镜68，并且，依次 在第一光电检测器70 (PD1)上成像。每个光电检测器70、 94将输入 光束转换为电流，并且，因此，向计算机和控制电子设备100提供输 入信号。该输入信号描述腔衰荡的衰减率。图3示出了现有技术中基于棱镜的CRDS谐振腔100的光路，该 CRDS谐振腔被设计成在行波结构中进行操作。如图3所示，用于 CRDS的谐振腔100基于使用两个布儒斯特角反射棱镜150和152。相对 于棱镜150显示偏振角或布儒斯特角 B。入射光12和出射光14分别被 示出为从棱镜152的输入和输出。在每个棱镜150和152中，谐振光束 以约45°角无损耗地经历两次全内反射，其中该约45°角大于熔融石英和大多数其它常用光学棱镜材料在可见光谱内的临界角。光沿着光 轴154在棱镜150和152之间行进。可选地，可以使用三个或更多的高 反射率反射镜来形成基于反射镜的行波RDC。可以使用诸如基于棱镜 的CRDS谐振腔100的行波RDC代替图2所示的CRDS检测器10中的驻 波RDC 60。在所述两种行波RDC中，需要使棱镜或反射镜相互之间以及使其 与输入和输出光束之间精确对准。在驻波RDC 60中期望精确调节反
射镜62和64之间的距离，以使得激光在光腔中谐振。这意味着环境的 改变，例如温度或腔中的介质的折射率的改变可以对这些空腔产生不 利的影响。如在待审查的申请2003年8月20日提交的10/644,137号、以及 2002年5月29日提交的其在先申请10/157，400号、以及2001年12月12 日提交的本发明的在先申请10/017,367号中发明人所描述的，可以证 明在CRDS检测器中使用无源光纤环形谐振腔对克服至少一些诸如图 2和3中所示的那些使用现有技术的RDC的困难是有用的。本发明利用 表面等离子体谐振提高CRDS检测器的灵敏度。发明内容本发明的一示例实施例是形成于光纤部分中的基于光纤的表面 等离子体谐振(SPR)检测器，包括光纤部分的锥形光纤部分，该锥 形光纤部分有外表面和导电层，该导电层能够支撑在锥形光纤部分外 表面上形成的表面等离子体。在锥形光纤部分的外表面上形成的表面 等离子体响应锥形光纤部分附近的环境变化。本发明的另一个示例实施例是与相干光源结合使用以检测环境 变化的装置，包括光腔，其包括输入耦合端口和光纤部分；光学地 耦合至该光腔的检测器，用于监测该光腔中的辐射；以及电耦合至该 检测器的处理器，用于分析光腔的检测部分附近的环境变化，该分析 是基于由该检测器监测的光腔中的辐射的衰减率进行的。该光腔的光 纤部分包括检测部分，该检测部分涂覆有能支撑表面等离子体以提供 腔损耗的导电层。表面等离子体响应于检测部分附近的环境变化。相 干光源光学地耦合至光腔的输入耦合端口以便向光腔中提供辐射。本发明的另一个示例实施例是与发出辐射的相干光源结合使用 的用于检测结合事件的装置，包括无源的、闭合的光纤光学环；传 感器，该传感器具有预定形状、导电涂层，并且该传感器与该无源的、 闭合的光纤光学环同轴；耦合装置，用于i)将由相干光源发出的辐 射的至少一部分光学地耦合进该无源的、闭合的光纤光学环以便在光 纤光学环产生传播场，以及iO传输出该光纤光学环传播场的检测部分；检测器，用于检测由耦合装置传输出的传播场的检测部分的功率 水平；处理器，其电耦合至该检测器，用于确定该传感器的导电涂层 表面上的结合事件的水平。传感器的该导电涂层能支撑表面等离子 体，该等离子体由该无源的、闭合的光纤光学环中的传播场驱动并响 应于该导电涂层表面的结合事件的水平。该检测器产生响应于传播场 的检测部分检测到的功率水平的信号，而且该处理器基于由该检测器 检测到的传播场的检测部分的功率水平的衰减率来确定结合事件的 水平。本发明的另一个示例实施例是利用表面等离子体腔衰荡检测 (SPCRD)系统检测流体中的环境变化的改进方法，该SPCRD系统 包括在光腔中光学地耦合的表面等离子体谐振(SPR)传感器。该SPR 传感器由金属涂覆的锥形光纤部分形成。包含预定波长的相干光辐射 耦合入SPCRD系统的光腔中。监测该光腔中的相干光辐射的功率水 平，并且基于监测到的功率水平确定光腔的初始腔损耗。将SPR传感 器暴露于流体中，并基于在将SPR传感器暴露于流体中后新监测到的 功率水平确定光腔的检测腔损耗。基于光腔的初始腔损耗和检测腔损 耗之间的差异检测流体中的环境变化。应当理解，前面的概括性的描述和后面的详细描述都是对本发明 的示例性的，而不是限制性的描述。


结合附图阅读以下详细描述能够最好地理解本发明。需要强调， 根据惯例，附图的不同的技术特征不是按照比例描绘的。相反，为了清楚起见，不同技术特征的尺寸被任意的放大或縮小。所附附图如下 图l是示出对数标度上的电磁光谱的示图；图2是示出现有技术的使用反射镜的驻波CRDS系统的示意性框图；图3是示出现有技术的使用棱镜的行波CRDS单元的顶平面图； 图4是示出根据本发明的示例实施例的示例表面等离子体腔衰荡 检测(SPCRD)系统的示意性框图5是示出传统光纤端平面的示图； 图6是示出传统光纤的透视图；图7A、 9A、和10A是示出根据本发明的示例实施例的示例表面等 离子体谐振(SPR)传感器的侧切示图；图7B和7C是示出图7A中所示的示例SPR传感器的特征的端切示图；图7D是示出可以用于图7A中所示的示例SPR传感器的示例锥形光纤部分的特征的顶平面示图；图8A是示出可以包括在图7A、 9A、以及10A中所示的示例SPR 传感器中的示例SPR层的侧切示图；图8B是示出可以包括在图7A、 9A、以及10A中所示的示例SPR 传感器中的可选示例SPR层的侧切示图；图9B和9C是示出图9A中所示的示例SPR传感器的特征的端切示图；图10B和10C是示出图10A中所示的示例SPR传感器的特征的端 切示图；图11是示出根据本发明的示例实施例的用于SPCRD的示例性的 基于光纤的行波CRDS单元的顶平面示图；图12是示出根据本发明的示例实施例的使用SPCRD系统检测环境变化的示例方法的流程图；具体实施方式
这里通过引用方式明确地将申请日为2003年8月20日的美国专利 10/644，137号、申请日为2002年5月29日的美国专利10/157,400号、以 及申请日为2001年12月12日的美国专利10/017,367号的全部公开内容 并入此处。如上所述，CRDS提供了 一种测量光腔内的介质中的分析物的高 灵敏装置。此外，申请人在申请日为2002年5月29日的10/157,400号和 申请日为2001年12月12日的10/017，367号中描述了使用环绕光纤的消 逝场以在示例性的基于光纤的光衰荡腔中提供损耗的方法。本发明通
过利用表面等离子体谐振(SPR)技术来提高传感灵器敏度，以及扩 展可由根据本发明的示例传感器感测到的环境变化的类型，本发明对 上述这些方法进行了延伸。SPR光谱被用于测量涂覆有导电涂层的全内反射(TIR)元件的 外表面上折射率的微小变化。如果光具有对应于其入射角的谐振波 长，可沿形成于TIR表面上的薄的导电涂层的表面产生表面等离子体。 给定入射角的谐振波长取决于TIR元件的基底和邻接导电涂层的外部 介质之间的折射率的差值。能够产生明显表面等离子体的光的波长或 入射角范围通常很小，从而使得SPR光谱可提供用于测量折射率变化 的非常灵敏的装置。基于SPR的传感器可以是直接检测表面等离子 体，或通过向表面等离子体的转换来检测来自入射光束的能量损耗。SPR检测系统通常使用棱镜作为TIR元件，但是SPR技术已经被发 展成结合锥形光纤传感器作为TIR元件。这些传感器包括沿着锥形渐 变段具有连续的角范围的锥形光纤，从而仅仅需要用于信号分辨的光 波长变化。耦合该光以形成单次通过的、多角度的SPR检测系统。这 样的系统的分辨率取决于光纤的锥形部分的入射角的变化率。通过累加多次通过的损耗，CRDS可提供高灵敏度的光学元件损 耗检测方法。如上所述，Pipinoetal.首次证明了通过使用单片TIR 环形谐振腔将SPR和CRDS这两种技术进行结合的可行性。该系统可 提供高灵敏度的检测，但是将光耦合进和耦合出所用的单片TIR环形 谐振腔的校准要求减少了该系统在需要灵活性和移动性的大多数实 际应用中的使用。通过在光学谐振腔内结合涂覆的光纤锥形SPR传感器，本发明可 使得SPR和CRDS二者的优点在更多实际系统中得到实现。例如，使 用结合在光纤环形谐振腔中的涂覆有导电涂层的光纤锥形SPR感测 区进行折射率测量，可以获益于改进的CRDS灵敏度。包含涂覆有导 电涂层的光纤锥形SPR感测区的光纤环的部分可以很容易被用于感 测不同的流体介质的折射率，比如将其浸入流动的液体、气体、或悬 浮液中。CRDS的使用还可以被用于帮助解决有噪音的SPR信号并提高对表面附近环境变化的灵敏度。
图4示出了根据本发明的示例实施例的具有SPR传感器500的基 于光纤光学的衰荡装置400。该示例装置可以检测包围SPR传感器500 的流体中的环境变化，包括检测附近流体的化学成分的变化，包括检 测气体和液体中出现的痕量物质、或分析物。SPR传感器500可以检 测的其它可能环境变化包括以下方面的变化传感器的检测部分附近 的介质的折射率；传感器的检测部分附近的环境温度；以及传感器的 检测部分附近的电场和传感器附近的电离辐射。在图4中，装置400包括谐振光纤环408，其具有光纤光缆402和沿 光纤光缆402的长度方向分布的SPR传感器500 (在以下详细描述)。 尽管在本发明的可选实施例中可以使用其它的光腔，示例性的闭合光 纤环形腔，比如图4所示的谐振光纤环408，需要具有较低的腔损耗， 而不是由SPR传感器500提供的环境相关损耗。较低的腔损耗能够检 测较小的环境相关损耗，从而导致环境变化检测系统的灵敏度较高。谐振光纤环408的长度可适应于多种采集环境，比如周长感测或 穿过例如实业工厂(physical plant)的不同部分。预期本发明的示例 装置中光腔的长度可以小至l米或大至数千米。尽管如图所示，三个 SPR传感器500沿着光纤光学环408的长度方向分布，如果需要，本发 明在实践中可以仅仅使用一个SPR传感器500。多于一个SPR传感器 500的分布使得可以对整个安装位置的不同点的环境变化进行采样。 可选地，可将多个SPR传感器中的每一个设计成响应不同的环境变 化，和/或不同的分析物。尽管图4所示的示例系统使用了一个完整的光纤环形腔，需要注 意的是，根据本发明的示例性表面等离子体腔衰荡检测(SPCRD)系 统的光腔也可以由光纤和形成光腔的自由空间光学系统形成。例如， 可在图3的示例光腔中沿光束路径154的一臂引入包括至少一个SPR传感器的光纤部分。该可选实施例的一个潜在优点是具有如下能力 即，容易在本示例性SPCRD系统中交换包含不同SPR传感器的光纤部 分，使得SPCRD系统可以按照需要感测大量不同的环境变化中的任意 一种。此外，需要注意，也可以在示例SPCRD系统中使用驻波光腔。图 ll示出了示例光纤驻波腔llOO，其包括也用作输入和输出耦合器的反 射器1102。除了以下事实外，该光腔类似于图2所示的RDC60，艮卩， 因为该光腔由光纤部分形成，示例性光纤驻波腔UOO是柔性的，使得 结合此光腔的SPCRD系统具有更大的自由度和通用性。应当注意，反 射器1102可以是介质反射镜或金属反射镜，其可以直接形成于光纤驻 波腔1100的劈开的末端上，或，可选地，通过自由空间光系统(未示 出)将它们光学地耦合至光纤驻波腔1100上。需要注意，在此可选实 施例中，需要沿着光纤驻波腔1100的长度方向放置SPR检测器500， 以便至少一个在腔中形成的驻波模式的波腹处于SPR传感器中。如果 SPR传感器的感测部分为一个或多个波长长度，这一条件很容易满 足。相干辐射源404可以是光学参量发生器(OPG)、光学参量放大器 (OPA)、激光器、或其它相干源，该相干辐射源需要在与SPR传感器 500的表面等离子体谐振波长一致的波长处发射辐射。相干源404可以 是具有窄带的可调二极管激光器。可选地，相干源404可以包括不止 一个光源以便在多个波长处提供辐射。这些波长可以对应于不同的 SPR传感器500，或者它们也可以对应于用于不同的环境变化和/或不同的分析物的表面等离子体谐振器。商业上已有的光学参量放大器的 一个实例是可从California的Mountain View的Spectra Physics获得的OPA-800C型。预期本发明可用于检测流体中多种对人和/或动物有害的化学和 生物试剂。这些化学和生物制剂的存在可以在这些流体的折射率中引 起可以由SPR传感器500检测到的足够的变化。还可预期的是，通过 如图7A和8A所示在SPR层814 (位于锥形光纤部分802上)的外表面涂覆专门与所期望的试剂相结合的抗体，可以增强这种检测。这些抗 体可被沉积于导电层816上以形成功能化学涂层818，这可响应于由抗体合的试剂的数量而改变它的折射率。应当注意，功能化学涂层818 还可选择性地由如下材料制成，该材料可以响应于其它特定的环境参 数，例如温度、湿度、pH值、电场、电离辐射等，而改变其折射率。
在图4所示的示例性实施例的SPCRD系统中，需要通过可选的光 学隔离器406、耦合器410、以及消逝输入耦合器412将相干源404发出 的辐射提供给谐振光纤光学环408。可选地，可采用基于光栅的耦合 器代替消逝输入耦合器412。在行波空腔中使用自由空间光系统或包 括驻波腔的SPCRD系统中，可通过高反射率的反射镜或光腔的TIR棱 镜的表面将辐射耦合进腔中。当相干源404是二极管激光器时，使用 光学隔离器406通过阻止返回到激光器中的反射而有助于使得激光器 中的噪声最小化。消逝输入耦合器412可将来自相干源404的固定百分 比的辐射提供到谐振光纤光学环408中，或者是可以基于整个谐振光 纤光学环408中存在的损耗进行调节。优选地，由消逝输入耦合器412 (或其它耦合器)向谐振光纤光学环408提供的辐射的量与光纤光缆 402和光腔连接器(未示出)中存在的损耗相匹配，从而达到腔中的 稳态辐射谐振。商用的提供1%辐射耦合(99%/1%分裂比耦合)的消 逝耦合器由New Jersey的ThorLabs of Newton制造，零件号码为 10202A-99。在一个优选的实施例中，消逝输入耦合器412将少于相干 源404发出辐射的1%的辐射耦合入光纤402。光纤光缆402的横截面如图5所示。为了形成SPR传感器500，移 除覆盖光纤光缆402的护套402a的部分，以暴露包围光纤光缆402的内 芯402c的包层402b。可选地，可将护套402a和包层402b都移除，以暴 露内芯402c。然而，由于在某些类型的光纤光缆中使用的内芯402c的 易碎特性，这种可选方案可能不是最需要的。可以预期的是，护套402a (在图中所示的任意的示例SPR传感器 中)的移除可以由机械装置比如传统的光纤去皮工具，或者通过将光 缆的这部分浸入会腐蚀并溶解护套402a而不影响包层402b和内芯 402c的溶剂中实现。在部分移除护套402a的情况下，可以修改该溶剂 方法，即向要移除的护套部分选择性地使用该溶剂。图6提供了一示例性的图示，其说明了辐射是如何通过光纤光缆 402传播的。如图6所示，辐射606在内芯402c和包层402b之间的边界 处出现全内反射(TIR)。这时，存在一些可以忽略的损耗(未示出)， 即辐射没有被反射，而是被包层402b吸收所引起的损耗。尽管图6是按照光纤光缆进行描述的，图6和本发明的该示例性实施例都同等地 适用于空心光纤，例如空心波导，其中包层402b包围一空心的内芯。再次参照图4，在穿过传感器500后剩下的辐射继续穿过光纤环 402。剩下的辐射的一部分由消逝输出耦合器416耦合出光纤环402。 消逝输出耦合器416通过检测器418和信号线422与处理器420耦合。检 测器418可以是任意类型的模拟光电检测器，比如光电二极管、光敏 电阻、或光电晶体管。需要注意，可选地，相干源404发出的辐射可通过信号消逝输入/ 输出耦合器耦合入或耦合出谐振光纤光学环408。这种消逝输入/输出 耦合器可以将来自相干源404的固定百分比的辐射提供到谐振光纤光 学环408中，或者可以基于在整个谐振光纤光学环404中出现的损耗进行调节。在此可选示例实施例中，消逝输入/输出耦合器实质上是上 面就图4的示例性实施例所讨论的消逝输入耦合器412和消逝输出耦 合器416的再组合。需要的是，这种消逝输入/输出耦合器将来自激光 器404的少于1%的辐射耦合进光纤402。也可以用处理器420控制波长 选择器430，以防止在将来自相干源404的辐射耦合进光纤402后的时 间段内来自相干源404的辐射使得检测器418 "致盲"。在另一个可选 实施例中，可用同轴电吸收检测器(图中未示出)代替检测器418， 使得不需要输出耦合器。理想地，在检测过程中该电吸收检测器吸收 少于激光器404发出的辐射的1 % 。处理器420可以是个人计算机，例如，具有用于将从检测器418 的模拟输出转换成用于处理的数字信号、并被编程为执行对该数字信 号的分析的装置。可选地，可以使用其它的处理器装置比如数字信号 处理器、专用电路、或ASIC作为处理器420。处理器420还需要通过 控制线424控制相干源404。一旦处理器420接收到由检测器418发出的 信号，处理器可以基于由于检测到表面等离子体而引起的损耗量来确 定测量到的环境变化的量和类型。对于脉冲相干源，可以基于腔中辐 射的衰减率确定这种损耗，或者对于CW相干源，可以基于腔中的辐 射的稳态能量水平确定这种损耗。
可选地，波长选择器430可置于消逝输出耦合器416和检测器418 之间。波长选择器430充当滤波器以阻止不在预定范围的辐射输入检 测器418中。该滤波器可以是可调滤波器，以允许搜索预定的带宽和/ 或跟踪可调相干源。此外，检测器414可被耦合至输入耦合器412的输 出。检测器414的输出经由信号线422提供给处理器420，以便确定何 时谐振光纤环402收到了用于执行SPR分析的足够辐射。图7A-D示出了示例性SPR传感器，其可用于本发明的示例 SPCRD系统，比如图4所示的示例性系统。如图7A和7D所示，通过使 内芯804和包层805成为锥形以生成具有锥形内芯808和锥形包层809 的锥形区域802，从而由光纤801形成传感器800。可以使用两种技术 之一形成锥形区域802。第一种技术是加热光纤801的局部区域并且同 时在期望形成传感器800的区域的任意一侧进行隔热拉伸。这一工序 在光纤801中形成了固定的锥形。接着，在锥形区域802的表面的至少 一部分上形成SPR层814。图8A和8B示出根据本发明的示例SPR传感器的上半部分，示出示 例性SPR层。图8A和8B中的虚线824表示用于这些示例SPR传感器中 的光纤的轴。如图8A所示，SPR层814包括薄的导电层816，表面等离 子体在该导电层上产生。可通过标准的沉积技术，例如溅射、蒸发、 或外延形成该层，或者可以将其喷射或涂敷到锥形光纤上。导电层816包括一导电材料，例如金属或导电聚合物。图8A还示出了功能化学涂层818，其可以在导电层816上形成。 根据待测量的环境变化，可由多种材料形成功能化学涂层818。可用 于聚集分析物的一种这样的涂层材料的例子是聚乙烯。此外，抗原特 异性结合剂可被用于以高特异性吸引所期望的生物分析物。形成这种 涂层所需的方法可根据形成它的材料而不同。此外，可在导电层816上的多个部分中形成功能化学涂层818，并可以按期望的图案对其进行排列，该图案比如是沿着传感器的长度方 向的条带形或围绕圆周的带环形。这些部分可以由不同的材料形成， 以允许用单个的SPR传感器感测多个环境变化(或多个分析物)。可 将该多个涂层部分设计成响应于单一辐射波长，从而提供对任意一感
测到的变化(或分析物)的单一报警，或者可将它们设计成响应于不 同的波长而提供多通道感测能力。如上所述，本发明人已经发现了同时利用SPR和CRDS所提供的 优点可适用于测量在SPR传感器附近的环境变化。这些环境变化可直 接影响SPR传感器周围的流体的折射率，或者可以通过作为SPR层814 的一部分而形成的功能化化学涂层818而加剧。用于这一涂层中的功 能化学制品可以基于多种环境变化而改变其折射率，这些变化包括-温度、湿度、pH值、电场和电离辐射。功能化学涂层还可以响应于 其表面上的结合事件而允许示例SPCRD系统检测到极少量的特定化 学和生物制剂。传统的单独使用的CRDS具有这样的缺点，g卩，不具 有SPR的锥形光纤谐振腔的灵敏度由于暴露于锥形感测区域812中的 增强型消逝场810的分析物的吸收而受到限制。使用SPR传感器的一个问题就是操作的波长范围。典型的金属导 电层能支撑由波长范围为500nm-600nm内的辐射产生的表面等离子 体。虽然目前有多种不同类型光纤可供使用，仍期望能在本发明的示 例SPR传感器中使用相对便宜、损耗低的通信用光纤。 一个例子是 Coming的SMF-28e熔融硅光纤，其已经在通信应用中获得标准应用。 存在能够传输许多不同波长的光的特种光纤，比如由Texas的Austin 的3M公司制造的488nm/514nm单模光纤(零件号码为FS-VS-2614)、 由Texas的Austin的3M公司制造的630nm可见波长单模光纤(零件号码 为FS-SN-3224)、由Texas的Austin的3M公司制造的820nm标准单模光 纤(零件号码为FS-SN-4224)、和由日本的KDD Fiberiabs制造的具有 4-微米传输的0.28-NA氟化玻璃光纤(零件号码为GF-F-160)。此夕卜， 如上面所述，光纤光缆402可以是空心光纤。光的波长影响锥形区域内的光模式转换并因此影响灵敏度，但是 这种影响可由锥形设计来平衡。为了获得最高的灵敏度，优选与光纤 的设计波长匹配的波长。尽管某些波长对于模式转换可以更灵敏，可 以预期的是，远离光纤的设计波长的波长会由于引起过多的传输损耗 和无用的衰荡信号而降低期望的灵敏度。在一个示例实施例中，波长 是1550nm (电信光纤中的最低损耗波长)，在此波长下可使得最便宜、 耐用的电信元件实现优化。然而，其他波长也是适用的，比如1300nm (电信光纤中的零色散波长)，尽管设想本发明可以使用1250nm和 1650nm之间范围的波长。可选地，使用400nm至700nm范围内的波长的光是理想的。尽管 标准光纤对这些光的吸收可能过高，但在这个波长范围内的光对激发 表面等离子体具有优势。这样，对低损耗可见波段光纤的改进可以容 许设计改进的SPCRD系统。图8B示出可选的示例SPR层820，其可用于扩展基于金属膜的 SPR传感器的波长范围。可选的SPR层820由多种金属涂覆的电介质纳 米粒子822形成。这些金属涂覆的电介质纳米粒子具有小于约l um的 直径，理想的直径范围是5nm-25nm。可选SPR层820能够支撑表面等 离子体的辐射波长范围可受到金属涂覆的电介质纳米粒子822的直径和形成这种纳米粒子的电介质材料的介电特性的影响。金属涂覆电介 质纳米粒子822还可涂覆有功能化学涂层。应当注意，与上面结合图 8A描述的多涂布区域类似，具有不同的功能化学涂层的纳米粒子可 结合于一单层的SPR层中，以形成一多通道SPR传感器。金属涂覆电 介质纳米粒子822可静电地附着于光纤上，如图8B所示，或者可被容 纳于一聚合物母体中(未示出)。如果金属涂覆电介质纳米粒子822 容纳于聚合物母体中，则该聚合物母体用作示例性的SPR传感器的功 能化学涂层。图7B示出传感器800在锥体前和锥体后的区域中的横截面。如图 7B所示，内芯804和包层805处于未改变的状态。应当注意，为了简单 起见，图示和说明不涉及光纤光缆801的保护套，尽管这样的保护套 被假定为是处于光纤光缆801的至少一部分的位置处。图7C示出传感器800的锥形区域802中的横截面。如图7C所示， 与内芯804和包层805相比，锥形内芯808和锥形包层809中每个的直径 明显减小，并且都被SPR层814覆盖。锥形区域802可以是任何基于特 定应用的长度。在该示例实施例中，如图7D所示，例如，腰部直径 为约12微米的锥形区域的长度接近4mm。
再次参照图7A，与锥形区域802中的增强消逝场810相比，内芯 804区域中的消逝场g06很窄而且有限。如图所示，增强消逝场810易 暴露于SPR层814以容许产生表面等离子体，就如以上关于较早的示 例实施例讨论的那样，并且，因此，能更好的检测预期的环境变化。图9A-9C示出另一个可用于检测环境变化的示例SPR传感器900。 如图9A所示，通过去除包层905的一部分以形成基本上为"D"形横 截面区域902，而由光纤901形成传感器900。 "D"形横截面区域902 的形成可使用，例如研磨料，抛光光纤包层卯5的一侧而实现。该研 磨料可用于沿着区域902以持续增加深度的方式去除包层905以保持 导模质量，最终在包层909的最小厚度点处到达最大深度。接着在锥 形区域902的表面的至少一部分处形成SPR层914。该最低包层厚度的 区域表示最大消逝暴露区域910。图10A-10C示出另一个可被用于检测环境变化的示例性的SPR传 感器1000。使用上述的关于锥形传感器的示例实施例的第二技术形成 SPR传感器IOOO。如图10A所示，如本领域技术人员所知，通过使用 化学试剂去除包层1005的一部分，从而由光纤1001形成SPR传感器 1000，以形成具有锥形包层1009的锥形区域1002。重要的是，不能让 该化学试剂破坏或去除内芯的任何部分，因为这将在SPR传感器IOOO 中引起极大的损耗。接着在锥形区域1002的表面的至少一部分上形成 SPR层1014。图10B示出SPR传感器1000在锥体前和锥体后区域中的横截面。 如图10B所示，内芯1004和包层1005处于未改变状态。仍需注意，为 简单起见，图示和说明不涉及光纤光缆1001的保护套，尽管这样的保 护套假定为是在光纤光缆1001的至少一部分的位置处。图10C示出SPR传感器1000的锥形区域1002中的横截面。如图10C 所示，内芯1004不受影响而与包层1005相比锥形包层1009直径明显减 小，且SPR层1014被形成于锥形包层1009上。锥形区域1002可以是任何基于特定应用的所需长度。例如，在该示例性的实施例中，腰部直 径为约12微米的锥形区域的长度接近4mm。 再次参照图10A，与锥形区域1002中的增强消逝场1010相比，内 芯1004区域中的消逝场1006很窄而且有限。如图所示，增强消逝场 1010易暴露于SPR层1014以容许产生表面等离子体，就如以上关于较 早的示例实施例讨论的那样，并且，因此，能更好的检测预期的环境 变化。对于上述的传感器800、卯O和IOOO，可通过在改造光纤前针对预 期的检测限制确定适当的锥形直径或抛光深度，而由暴露于SPR层的 消逝场的量来平衡因形成传感器而在光纤中产生的损耗。此外，理想 的是，为传感器800、 900和/或1000提供保护装置以补偿由于各自成 锥形和抛光的操作所增加的脆度。设想传感器800、 900和/或1000可作为未受限制的光纤用在圆柱 芯元件中(其可以是实心的、空心的或其它可穿透的)，比如芯轴， 或在环形或弯曲结构中(未示出)，如于2001年12月12日提交的美国 专利申请10/017,367号所述。图12是示出使用根据本发明的示例SPCRD系统在流体中检测环 境变化的示例方法的流程图。步骤1200，将相干光辐射耦合入SPCRD 系统的光腔中。该相干光辐射可以是脉冲形式的或CW形式的。理想 地，该相干光辐射应当包括预定波长。步骤1202，监测光腔中的相干光辐射的功率水平，而步骤1204， 基于该被监测的功率水平确定该光腔的初始腔损耗。如果该耦合入腔 中的相干光辐射是CW形式的，可基于光腔中的相干光辐射的平均监 测功率水平确定该初始腔损耗。该平均监测功率水平表示耦合入腔中 的相干光辐射和该腔损耗之间的平衡。然而，如果该耦合入腔中的相 千光辐射是脉冲形式的，可基于该光腔中的相干光辐射的监测功率水 平的衰减率而确定该初始腔损耗。机械遮光器可用于由CW源产生脉 冲光。应当注意，由于这种方法具有提高了的灵敏度，检测衰减率优于 检测腔平衡功率水平。该衰减率仅仅涉及在开始测量的时候已经处于 光腔中的辐射的特性，并且，因此，该衰减率对相干源中的噪声的敏 感性弱。
步骤1206，将SPCRD系统的SPR传感器暴露于针对环境变化的待 监测流体，而步骤1208，在将SPR传感器暴露于流体后，基于监测到 的功率水平对光腔的腔损耗进行检测。根据耦合入腔中的相干光辐射 是CW形式的还是脉冲形式的，在步骤1208中的腔损耗的检测以与步 骤1204中的初始腔损耗相同的方式进行。步骤1210，接着基于光腔的初始腔损耗和检测腔损耗之间的差异 检测流体中的任何环境变化。应当注意，该流体可具有与用于建立初 始腔损耗值的环境不同的折射率。如果没有对SPR传感器使用功能化 学涂层，这种折射率的差异将被检测为环境变化。尽管此处参照某些特定的实施例进行了示范和描述，本发明不应 当局限于显示的细节。相反，可以不脱离本发明的精神在权利要求的 范围及其等同的范围内对细节进行多种修改。
权利要求
1、一种形成于光纤部分中的基于光纤的表面等离子体谐振(SPR)检测器，所述SPR检测器包括光纤部分中的锥形光纤部分，该锥形光纤部分具有外表面；和导电层，其能够支撑形成于所述锥形光纤部分的所述外表面上的表面等离子体，所述表面等离子体响应于所述锥形光纤部分附近的环境变化。
2、 如权利要求1所述的SPR检测器，其中所述锥形光纤部分由对 所述光纤部分进行加热和隔热拉伸而形成。
3、 如权利要求1所述的SPR检测器，其中所述导电层包括形成于 所述光纤部分中的所述锥形光纤部分上的金属膜。
4、 如权利要求1所述的SPR检测器，其中所述导电层包括多个金 属涂覆的电介质纳米粒子，每个电介质纳米粒子的直径都小于约
5、 如权利要求1所述的SPR检测器，还包括导电层上的功能化学涂层，所述功能化学涂层具有响应于所述锥 形光纤部分附近的环境变化的折射率。
6、 如权利要求5所述的SPR检测器，其中所述功能化学涂层适于 聚集预定分析物。
7、 如权利要求5所述的SPR检测器，其中所述功能化学涂层包括 多个化学涂层区域，每个化学涂层区域适于聚集不同的预定分析物。
8、 如权利要求5所述的SPR检测器，其中所述功能化学涂层的折 射率所响应的所述环境变化包括下述情形中的至少一种所述锥形光纤部分附近的流体的化学成分； 所述锥形光纤部分附近的环境温度； 所述锥形光纤部分附近的湿度； 所述锥形光纤部分附近的pH值； 所述锥形光纤部分附近的电场；以及 所述锥形光纤部分附近的电离辐射。
9、 如权利要求1所述的SPR检测器，其中所述表面等离子体所响 应的所述环境变化包括与所述导电层接触的材料的折射率。
10、 如权利要求1所述的SPR检测器，其中所述光纤部分由塑料、 熔融二氧化硅、蓝宝石、或氟化玻璃中的至少一种形成。
11、 如权利要求1所述的SPR检测器，其中所述光纤部分由空心 光纤形成。
12、 如权利要求1所述的SPR检测器，其中所述光纤部分是单模 光纤或多模光纤中的一种。
13、 如权利要求1所述的SPR检测器，其中所述光纤部分在电磁 光谱的可见光区域和所述电磁光谱的中-红外区域之间的波长处谐振。
14、 一种与相干光源结合使用以检测环境变化的装置，所述装置包括光腔，包括输入耦合端口和光纤部分，所述光纤部分包括涂覆有 导电层的检测部分，其中所述导电层能支撑表面等离子体以提供腔损耗，所述表面等离子体响应于所述检测部分附近的环境变化； 相干光源，光学地耦合至所述光腔的所述输入耦合端口，以便向所述光腔提供辐射；检测器，光学地耦合至所述光腔以监测所述光腔中的辐射；和 电耦合至所述检测器的处理器，用于基于所述检测器监测的所述光腔中的辐射衰减率分析所述光腔的所述检测部分附近的环境变化。
15、 如权利要求14所述的装置，其中所述光腔是调谐至所述相干光源的峰值波长的驻波腔；以及 由来自所述相干光源的辐射在所述驻波腔中形成的驻波图案包 含多个波腹。
16、 如权利要求15所述的装置，其中所述检测器与所述驻波图案的至少一个波腹光学地耦合；以及 所述光纤部分的所述检测部分包括所述驻波图案的至少一个波
17、 如权利要求16所述的装置，还包括在光学耦合至所述检测器 的所述至少一个波腹附近的输出耦合端口。
18、 如权利要求14所述的装置，其中所述光腔是行波腔。
19、 如权利要求18所述的装置，其中所述光腔是由所述光纤部分 形成的闭合光纤光学环。
20、 如权利要求14所述的装置，其中所述光腔的所述输入耦合端 口是下述中的一个光栅耦合器； 高反射率反射镜；或 消逝光纤耦合器。
21、 如权利要求14所述的装置，其中所述光纤腔还包括至少一个 其它光纤部分，每个光纤部分包括至少一个检测部分。
22、 如权利要求14所述的装置，其中所述光纤部分的所述检测部 分是锥形光纤部分。
23、 如权利要求22所述的装置，其中所述锥形光纤部分是通过对 所述光纤部分进行加热和隔热拉伸而形成的。
24、 如权利要求14所述的装置，其中所述光纤部分还包括至少一 个其它检测部分。
25、 如权利要求14所述的装置，其中覆盖所述光纤部分中的所述 检测部分的所述导电层包括形成于所述光纤部分中的所述检测部分 上的金属膜。
26、 如权利要求14所述的装置，其中覆盖所述光纤部分中的所述检测部分的所述导电层包括多个金属涂覆的电介质纳米粒子，每个电 介质纳米粒子的直径小于约lnm。
27、 如权利要求14所述的装置，其中所述光纤部分的所述检测部分还包括在所述导电涂层上的功能 化学涂层；且所述功能化学涂层的折射率响应于所述检测部分附近的环境变化。
28、 如权利要求27所述的装置，其中所述功能化学涂层适于聚集 预定分析物。
29、 如权利要求27所述的装置，其中所述功能化学涂层包括多个 化学涂层部分，每个化学涂层部分适于集中不同的预定分析物。
30、 如权利要求27所述的装置，其中所述功能化学涂层的折射率 所响应的所述环境变化包括下述情形中的至少一个所述检测部分附近的流体的化学成分；所述检测部分附近的环境温度；所述检测部分附近的湿度；所述检测部分附近的pH值；所述检测部分附近的电场；以及所述检测部分附近的电离辐射。
31、 如权利要求14所述的装置，其中所述表面等离子体所响应的 所述环境变化包括与所述导电层接触的材料的折射率。
32、 如权利要求14所述的装置，其中所述光纤部分由塑料、熔融 二氧化硅、蓝宝石、或氟化玻璃中的至少一种形成。
33、 如权利要求14所述的装置，其中所述光纤部分由空心光纤形成。
34、 如权利要求14所述的装置，其中所述光纤部分是单模光纤或 多模光纤中的一种。
35、 如权利要求14所述的装置，其中所述光纤部分在电磁光谱的 可见光区域和所述电磁光谱的中-红外区域之间的波长处谐振。
36、 如权利要求14所述的装置，其中所述光纤部分至少约lm长。
37、 如权利要求14所述的装置，其中所述光纤部分至少约10m长。
38、 如权利要求14所述的装置，其中所述光纤部分至少约lkm长。
39、 如权利要求14所述的装置，其中所述相干光源包括光学参量 发生器或光学参量放大器中的至少一个。
40、 如权利要求14所述的装置，其中所述相干光源是激光源。
41、 如权利要求40所述的装置，其中所述激光源包括脉冲激光器 或连续波激光器中的一个。
42、 如权利要求40所述的装置，其中所述激光源包括光纤激光器 或具有窄波带的可调二极管激光器中的一个。
43、 如权利要求40所述的装置，其中所述激光源是在约400nm和 约700nm波长范围内可调的单模激光器。
44、 如权利要求40所述的装置，其中所述激光源是在约1250nm 和约1650nm波长范围内可调的单模激光器。
45、 如权利要求14所述的装置，其中由所述相干光源提供给所述 光腔的所述辐射是具有预定峰值波长的单模激光。
46、 如权利要求45所述的装置，其中所述预定峰值波长在约 400nm至约700nm的第一范围或在约1250nm至约1650nm的第二范围内。
47、 如权利要求14所述的装置，其中由所述相干光源提供给所述光腔的所述辐射具有多个光谱峰值， 每个光谱峰值都具有对应的峰值波长； 所述检测器单独光学地监测所述光腔中的所述辐射的每个光谱峰值；以及所述处理器基于与所述光腔中所述辐射的多个光谱峰值相对应 的多个光谱峰值衰减率，分析所述光腔的所述检测部分附近的环境变 化。
48、 如权利要求47所述的装置，其中所述光腔包括多个检测部分， 每个检测部分具有相应的能支撑相应表面等离子体以便在相应的峰 值波长处提供腔损耗的导电层。
49、 如权利要求48所述的装置，其中所述光纤部分中的每个检测部分还包括相应的功能化学涂层； 每个功能化学涂层都适合于聚集相应的预定分析物；以及 每个功能化学涂层的折射率响应于所聚集的所述相应预定分析 物的量。
50、 如权利要求14所述的装置，还包括光隔离器，光学耦合在所述相干光源和所述光腔的所述输入端口 之间，该光隔离器与从所述相干光源发出的所述辐射同轴，以便所述 光隔离器使得来自相干光源的噪声最小化。
51、 如权利要求14所述的装置，其中所述检测器是在所述光纤部 分中的同轴的电吸收监测器。
52、 如权利要求14所述的装置，其中 所述光腔还包括输出端口； 所述输出端口包括下述至少之一光栅耦合器； 高反射率反射镜；或 消逝光纤耦合器；以及 所述检测器通过所述输出端口光学地耦合至所述光腔。
53、 如权利要求52所述的装置，其中所述检测器包括光电二极管、 光敏电阻、或光敏晶体管中的至少一个。
54、 如权利要求52所述的装置，其中所述装置还包括置于所述输 出端口和所述检测器之间的光路中的滤光器，以选择性地使得从所述 光腔至所述检测器的所述辐射的一部分通过。
55、 如权利要求54所述的装置，其中所述滤光器是可调滤光器。
56、 如权利要求14所述的装置，还包括输入检测器，用于确定何 时将来自所述相干光源的所述辐射提供给所述光腔。
57、 如权利要求56所述的装置，还包括光源控制装置，以便在所 述输入检测器确定所述相干光源已经将所述辐射提供给所述光腔后 使所述相干光源无效。
58、 如权利要求57所述的装置，其中将所述控制装置和所述输入 检测器电耦合至所述处理装置。
59、 如权利要求56所述的装置，其中所述输入检测器电耦合至所述处理器，并且在将来自所述相干光 源的辐射提供给所述光腔时传输触发信号至所述处理器；以及在接收到来自所述输入检测器的所述触发时，所述处理器开始分 析所述光腔中的所述辐射的衰减率。
60、 一种与发出辐射的相干光源结合使用的用于检测结合事件的 装置，所述装置包括无源的、闭合的光纤光学环； 具有预定形状和导电涂层的传感器，所述传感器与所述无源的、 闭合的光纤光学环同轴，所述导电涂层能支撑由所述无源的、闭合的 光纤光学环中的传播场驱动的表面等离子体并响应于所述导电涂层 表面上的结合事件的水平；耦合装置，用于i)将由所述相干光源发出的辐射的至少一部分 光学地耦合至所述无源的、闭合的光纤光学环，以便在所述无源的、 闭合的光纤光学环中产生传播场，以及ii)传输来自所述无源的、闭 合的光纤光学环的传播场的检测部分；检测器，用于检测由所述耦合装置传输出的所述传播场的所述检 测部分的功率水平，并产生响应于该功率水平的信号；以及处理器，其被电耦合至所述检测器上，用于基于由所述检测器检 测的所述传播场的所述检测部分的功率水平的衰减率，确定在所述传 感器的所述导电涂层的表面上的所述结合事件的水平。
61、 如权利要求60所述的装置，其中所述传感器的所述预定形状是形成于所述传感器的两个末端之 间的锥形部分；以及所述预定形状被暴露于周围的流体中。
62、 如权利要求61所述的装置，其中所述锥形部分通过对所述无 源的、闭合的光纤光学环的传感器部分进行加热和隔热拉伸而形成。
63、 如权利要求61所述的装置，其中所述流体是气体、液体、或 悬浮液中的至少一种。
64、 如权利要求60所述的装置，其中当所述无源的、闭合的光纤 光学环中的所述传播场的波长与所述导电涂层的特征等离子体谐振 波长匹配时，所述传感器的所述导电涂层是可激发的。
65、 如权利要求64所述的装置，其中所述传感器还包括形成于所 述导电涂层上的功能化学涂层。
66、 如权利要求65所述的装置，其中所述功能化学涂层适于聚集 预定的分析物。
67、 如权利要求60所述的装置，其中所述传感器的所述导电涂层 包含金属膜。
68、 如权利要求60所述的装置，其中所述传感器的导电涂层包括 多个金属涂覆的电介质纳米粒子，每个电介质纳米粒子的直径小于约
69、 如权利要求60所述的装置，其中所述耦合装置是单个光耦合器o
70、 如权利要求60所述的装置，其中所述耦合装置包括i)第一 光耦合器，用于将由所述相干光源发出的所述部分辐射光学地耦合入 所述无源的、闭合的光纤光学环的第一部分中，和ii)第二光耦合器， 用于传输来自所述无源的、闭合的光纤光学环的第二部分的所述传播 场的所述检测部分。
71、 如权利要求60所述的装置，还包括滤光器，置于所述耦合装 置和所述检测器之间的光路中，以选择性地使由所述耦合装置传输出 的来自所述无源的、闭合的光纤光学环的所述传播场的所述检测部分 通到所述检测器。
72、 如权利要求71所述的装置，其中所述滤光器基于所述检测部 分的波长选择性地使所述传播场的所述检测部分通过并到达所述检 测器。
73、 如权利要求60所述的装置，其中所述相干光源包括至少如下之一光学参量发生器； 光学参量放大器；或 激光源。
74、 如权利要求60所述的装置，还包括光隔离器，其耦合于所述相干光源和所述耦合装置之间，且与由 所述相干光源发出的所述辐射同轴，以使所述光隔离器能使得反射回 所述相干光源的噪声最小化。
75、 如权利要求60所述的装置，其中所述产生于所述传感器的所 述导电涂层表面上的所述表面等离子体使得无源的、闭合的光纤光学 环中的传播场耗散。
76、 如权利要求60所述的装置，其中所述无源的、闭合的光纤光 学环由塑料、熔融二氧化硅、蓝宝石、或氟化玻璃中的至少一种形成。
77、 如权利要求60所述的装置，其中所述无源的、闭合的光纤光 学环由空心的光纤形成。
78、 如权利要求60所述的装置，其中所述无源的、闭合的光纤光 学环由单模光纤或多模光纤之一形成。
79、 如权利要求60所述的装置，其中耦合到所述无源的、闭合的 光纤光学环中的所述辐射的输入部分的耦合功率低于由所述相干光 源发出的所述辐射的出射功率的约1%。
80、 如权利要求60所述的装置，其中耦合到所述无源的、闭合的 光纤光学环中的所述辐射的输入部分的耦合功率是可变的。
81、 如权利要求80所述的装置，其中所述辐射的输入部分的所述耦合功率是基于所述无源的、闭合的 光纤光学环内的环路损耗而变化的；和所述环路损耗至少是基于连接器损耗和光纤损耗。
82、 如权利要求60所述的装置，其中所述无源的、闭合的光纤光 学环的周长至少是约lm。
83、 如权利要求60所述的装置，其中所述无源的、闭合的光纤光 学环的周长至少是约10m。
84、 如权利要求60所述的装置，其中所述无源的、闭合的光纤光 学环的周长至少是约lkm。
85、 一种利用表面等离子体腔衰荡检测(SPCRD)系统检测流体 中的环境变化的改进方法，其中所述表面等离子体腔衰荡检测(SPCRD)系统包括在光腔内光学耦合的表面等离子体谐振(SPR) 传感器，所述SPR传感器由金属涂覆的锥形光纤部分形成，所述方法 包括将相干光辐射耦合入所述SPCRD系统的所述光腔中，所述相千光 辐射包括预定的波长；监测所述光腔中的所述相千光辐射的功率水平；基于监测到的功率水平确定所述光腔的初始腔损耗；将SPR传感器暴露于所述流体；在将所述SPR传感器暴露于所述流体后，基于监测到的功率水平 确定所述光腔的检测腔损耗；和 基于所述光腔的所述初始腔损耗和所述检测腔损耗之间的差异， 检测所述流体中的环境变化。
86、 如权利要求85所述的方法，其中 耦合入所述光腔中的所述相干光辐射是恒定波光辐射； 基于将所述SPR传感器暴露于所述流体之前监测到的所述光腔中的所述相干光辐射的平均监测功率水平，确定所述初始腔损耗；和 基于将所述SPR传感器暴露于所述流体之后监测到的所述光腔 中的所述相干光辐射的所述平均监测功率水平，确定所述检测腔损 耗。
87、 如权利要求85所述的方法，其中 耦合入所述光腔的所述相干光辐射是脉冲光辐射； 基于将所述SPR传感器暴露于所述流体之前监测到的所述光腔中的所述相干光辐射的所述监测功率水平的衰减速率，确定初始腔损 耗；和基于将所述SPR传感器暴露于所述流体之后监测到的所述光腔 中的所述相干光辐射的所述监测功率水平的衰减速率确定检测腔损 耗。
全文摘要
一种与相干光源结合使用以检测环境变化的装置和方法。该装置包括光腔，其包括输入耦合端口，和光纤部分；光耦合至该光腔的检测器，用于监测该光腔中的辐射；以及电耦合至该检测器的处理器，用于基于由该检测器监测的光腔中的辐射的衰减率分析光腔的检测部分附近的环境变化。该光腔的光纤部分包括检测部分，该检测部分涂覆有能支撑表面等离子体以提供腔损耗的导电层。该表面等离子体响应该检测部分附近的环境变化。该相干光源光学地耦合至光腔的输入耦合端口以提供光腔中的辐射。
文档编号G01N21/00GK101128730SQ200580048610
公开日2008年2月20日 申请日期2005年12月20日 优先权日2004年12月23日
发明者P·B·塔尔萨 申请人:普林斯顿大学理事会