一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器，包括作为基底的塑料光纤和设置在所述光纤上表面和下表面的双层金属光栅；所述塑料光纤为去除包层、且芯径1mm的塑料光纤；所述双层金属光栅包括单面具有凹凸周期结构的介质层，在所述凹凸周期结构的上表面均设置有金属薄膜层，形成光栅；其中所形成光栅的占空比为1；所述金属光栅利用激光双光束干涉光刻法制作而成；所述光栅，其周期和深度可调。本发明将双层金属光栅制作在塑料光纤表面，将光纤波导耦合和光栅耦合方结合在一起兼具塑料光纤传输优势和金属光栅高激发效率的优势，其共振波长可调谐，该结构在折射率传感中具有重要应用。
【专利说明】一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器及其应用，属于传感器的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]与传统石英光纤相比，塑料光纤具有芯径大、韧性高、价格低廉、制作简单、维护简便、可靠性高等优点。因此，塑料光纤(POF)传感器是目前国内外广泛研究的一种传感器。其中，基于表面等离子共振的光纤传感器在微生物检测、血液分析、DNA分析、有毒气体检测等领域有着极为重要的用途。但是目前国内外针对光纤的研究主要存在以下问题:
[0003]I)国内外报道的光纤表面等离子共振传感器多数基于金属镀膜结构，存在稳定性差、激发效率低以及对比度小等问题；
[0004]2)有关塑料光纤和金属光栅的研究较多，而将二者相结合应用于传感领域的研究却较少。
【发明内容】
[0005]针对现有的技术不足，本发明提供一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器。
[0006]本发明还提供一种利用上述基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器的传感方法。本发明具有激发效率高、多波长宽光谱的传感以及稳定性好等优点。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器，包括作为基底的塑料光纤和设置在所述光纤上表面和下表面的双层金属光栅；
[0009]所述塑料光纤为去除包层、且芯径Imm的塑料光纤；
[0010]所述双层金属光栅包括单面具有凹凸周期结构的介质层，在所述凹凸周期结构的上表面均设置有金属薄膜层，形成光栅；其中所形成光栅的占空比为I ;所述占空比为本领域的常用术语，即对于每一个光栅周期，其凸出部分和下凹部分所占的宽度比例相同；其中，所述双层金属光栅是按照现有技术利用激光双光束干涉光刻法制作而成；所述双层金属光栅的结构中层与层之间的垂直距离差受光刻过程的曝光时间控制，所述层与层之间的距离即为所述双层金属光栅的深度。因此本发明中所述双层金属光栅中的光栅周期和深度都是可调的。
[0011]根据本发明优选的，所述塑料光纤为Mitsubishi公司生产的EL2100型塑料光纤。
[0012]根据本发明优选的，所述塑料光纤的参数:几何尺寸为980/1000 μ m ;纤芯折射率1.49，纤芯数值孔径(NA)为0.5，包层折射率1.4，透光率/%*111_1彡95(57011111)，损耗/dB*km_1 ( 200 (570nm)。
[0013]根据本发明优选的，所述的介质层为Allresisit公司生产的型号为ARP3500 - 6的介质材料。
[0014]根据本发明优选的，在所述凹凸周期结构的上表面均设置有金属薄膜层为铝薄膜，其厚度为lOOnm。该铝薄膜是利用电子束沉积器在介质层的凹凸结构上表面沉积铝而成，进而克隆出所需的双层金属光栅。
[0015]一种利用上述基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器的传感方法，包括步骤如下:
[0016]I)宽带光源经光纤输入端口I禹合到一段内外径为980/1000 μ m的塑料光纤中，并在具有包层束缚下在塑料光纤中传输；
[0017]2)光线在到达双层金属光栅后，光线经塑料光纤波导耦合和双层金属光栅耦合的双重耦合方式耦合出塑料光纤，并在所述双层金属光栅的表面形成等离子共振效应；
[0018]3)由于匹配条件的限制:不同入射波长下，光的耦合效率不同；在特定波长下耦合效率达到最大，形成光谱共振吸收峰；不同环境折射率下，共振波长随着外界折射率的增大向长波方向显著移动，从而实现对外界环境折射率的测量。
[0019]本发明的优势:
[0020](I)本发明采用塑料光纤作为传感光纤，具有芯径大、韧性高、价格低廉、制作简单、维护简便、可靠性高等的优势；
[0021](2)本发明利用激光干涉光刻法制作平面微纳米金属光栅，具有工艺简单，生产率高，成本低等优点。
[0022](3)本发明将双层金属光栅制作在塑料光纤表面,将光纤波导I禹合和光栅I禹合方结合兼具塑料光纤传输优势和金属光栅高激发效率的优势。
[0023](4)本发明制作的微纳传感结构，共振波长可调谐，可以实现多波长宽光谱的传感；且对折射率极其敏感。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是激光双光束干涉法制备微纳光栅的示意图；
[0025]图2是所制备的微纳结构实物图，其中(a)实物照片，(b)扫面电子显微镜下微结构的二维平面图；
[0026]图3是本发明所述一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器的结构示意图；
[0027]图4是本发明所述的基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感方法中，不同光栅周期下的反射光谱图；
[0028]图5是本发明所述的基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感方法应用于折射率传感；
[0029]在图3中，A为塑料光纤入射端口，B为塑料光纤出射端口，C为双层金属光栅区域。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
[0031]如图1所示。
[0032]实施例1、
[0033]一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器，包括作为基底的塑料光纤和设置在所述光纤上表面和下表面的双层金属光栅；
[0034]所述塑料光纤为去除包层、且芯径Imm的塑料光纤；
[0035]所述双层金属光栅包括单面具有凹凸周期结构的介质层，在所述凹凸周期结构的上表面均设置有金属薄膜层，形成光栅；其中所形成光栅的占空比为I ;所述占空比为本领域的常用术语，即对于每一个光栅周期，其凸出部分和下凹部分所占的宽度比例相同；其中，所述双层金属光栅是按照现有技术利用激光双光束干涉光刻法制作而成；所述双层金属光栅的结构中层与层之间的垂直距离差受光刻过程的曝光时间控制，所述层与层之间的距离即为所述双层金属光栅的深度。因此本发明中所述双层金属光栅中的光栅周期和深度都是可调的。所述的介质层为Allresisit公司生产的型号为ARP3500 - 6的介质材料。
[0036]所述激光光束通过分束调整，在空间内形成具有一定夹角的两束平面光；两束光在空间内相互作用发生干涉；在图1中玻璃板处放置涂有光刻胶ARP3500 - 6的塑料光纤作为衬底；将载有塑料光纤的玻璃板放入两束光形成的干涉场中，通过调整两干涉光束的夹角，控制干涉条纹间距，进而实现对介质层平面光栅周期的控制；利用电子束沉积器在介质层凹凸周期结构上表面沉积厚度为10nm的铝薄膜，克隆出所需双层金属光栅。
[0037]如图2所示:所制备的微纳结构实物图，其中(a)实物照片，(b)扫面电子显微镜下微结构的二维平面图。由于所制微纳光栅对光的衍射效应，在a图中玻璃板上的具有明显的彩色条纹，具体如图2黑白色条所示。
[0038]实施例2、
[0039]如实施例1所述的一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器，其区别在于，所述塑料光纤为Mitsubishi公司生产的EL2100型塑料光纤。
[0040]所述塑料光纤的参数:几何尺寸为980/1000 μ m ;纤芯折射率1.49，纤芯数值孔径(NA)为 0.5，包层折射率 1.4，透光率/% ^nT1 彡 95 (570nm)，损耗 /dB^knT1 ( 200 (570nm)。
[0041]实施例3、
[0042]如实施例1、2所述的一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器，其区别在于，在所述凹凸周期结构的上表面均设置有金属薄膜层为铝薄膜，其厚度为lOOnm。该铝薄膜是利用电子束沉积器在介质层的凹凸结构上表面沉积铝而成，进而克隆出所需的双层金属光栅。
[0043]实施例4、
[0044]一种利用如实施例1-3所述基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器的传感方法，包括步骤如下:
[0045]I)宽带光源经光纤输入端口耦合到一段内外径为980/1000 μ m的塑料光纤中，并在具有包层束缚下在塑料光纤中传输；
[0046]2)光线在到达双层金属光栅后，光线经塑料光纤波导耦合和双层金属光栅耦合的双重耦合方式耦合出塑料光纤，并在所述双层金属光栅的表面形成等离子共振效应；
[0047]3)由于匹配条件的限制:不同入射波长下，光的耦合效率不同；在特定波长下耦合效率达到最大，形成光谱共振吸收峰；不同环境折射率下，共振波长随着外界折射率的增大向长波方向显著移动，从而实现对外界环境折射率的测量。
[0048]如图3所示，本发明的工作原理:宽带光源经光纤端口 A耦合到一段内外径为980/1000 μ m的塑料光纤中，纤芯折射率1.49，纤芯数值孔径(NA)为0.5，包层折射率1.4，透光率/% 彡95 (570nm),损耗/dB-knT1 ( 200 (570nm);光在包层的束缚下在塑料光纤中传输，光到达所制备的金属光栅区域C后，此区域的光纤包层利用丙酮腐蚀法剥离，并在此区域表面制作上双层金属光栅，光在此区域形成倏逝波并根据匹配条件耦合出塑料光纤纤芯；由于匹配条件的限制，不同波长的光的耦合效率不同，在特定波长下耦合效率达到最大，并在此波长下在金属光栅表面形成表面等离子共振效应，因此在输出端B出检测到从光谱共振吸收峰。根据匹配条件，共振波长受到光栅外介质折射率的灵敏调制。因此，夕卜界折射率的变化会引起共振波长的明显移动，从而对外界折射率进行精确探测。
[0049]图4是本发明所述的基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感方法中，共振波长受光栅周期调制的反射光谱图。可以看出，在外界折射率一定的情况下，当光栅周期从
0.4 μ m增加到I μ m的过程中，谐振波长的位置从0.624 μ m增大到1.398 μ m.因此，可以通过控制光栅的周期，实现任意波段的传感应用。
[0050]图5是本发明所述的微纳结构在不同环境折射率下的反射光谱。光栅周期为I μ m。当外界折射率从1.33增加到1.49的过程中，共振波长的位置从1.398 μ m增大到
1.501 μ m，这表明在不同的折射率环境下，共振波长向长波方向显著移动。定义传感器的灵敏度为:σ = Λ λ /Λη，获得此传感器结构的灵敏度为643.75nm/RIU。
[0051]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器，其特征在于，该传感器包括作为基底的塑料光纤和设置在所述光纤上表面和下表面的双层金属光栅； 所述塑料光纤为去除包层、且芯径1皿的塑料光纤； 所述双层金属光栅包括单面具有凹凸周期结构的介质层，在所述凹凸周期结构的上表面均设置有金属薄膜层，形成光栅；其中所形成光栅的占空比为1。
2.根据权利要求1所述的一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器，其特征在于，所述塑料光纤为組丨训化也丨公司生产的此2100型塑料光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器，其特征在于，所述塑料光纤的参数:几何尺寸为980/1000^ ！:！；纤芯折射率1.49，纤芯数值孔径(嫩)为0.5，包层折射率1.4，透光率/%細―1彡95 (57011111)，损耗/诎恤―1彡200 (570^)。
4.根据权利要求1所述的一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器，其特征在于，所述的介质层为八111*681811:公司生产的型号为八1？？3500 - 6的介质材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器，其特征在于，在所述凹凸周期结构的上表面均设置有金属薄膜层为铝薄膜，其厚度为100！！！！！。
6.—种利用如权利要求1-5任意一项所述基于双金属光栅的塑料光纤表面等离子传感器的传感方法，包括步骤如下: 1)宽带光源经光纤输入端口耦合到一段内外径为980/10009 0的塑料光纤中，并在具有包层束缚下在塑料光纤中传输； 2)光线在到达双层金属光栅后，光线经塑料光纤波导耦合和双层金属光栅耦合的双重耦合方式耦合出塑料光纤，并在所述双层金属光栅的表面形成等离子共振效应； 3)由于匹配条件的限制:不同入射波长下，光的耦合效率不同；在特定波长下耦合效率达到最大，形成光谱共振吸收峰；不同环境折射率下，共振波长随着外界折射率的增大向长波方向显著移动，从而实现对外界环境折射率的测量。
【文档编号】G01N21/55GK104406939SQ201410510642
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】冯德军, 刘冠秀, 刘希路 申请人:山东大学