一种V槽结构塑料光纤SPR传感器及其制备方法与流程

一种v槽结构塑料光纤spr传感器及其制备方法
技术领域
[0001]
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于v槽结构的塑料光纤表面等离子体共振传感器。


背景技术：

[0002]
表面等离子体共振(spr)传感技术是利用传输光波所产生的倏逝波与金属表面等离子体波两者之间的共振现象进行工作的。spr可以导致传输光特定波长处能量的急剧衰减，在透射光谱上表现为特定波长位置处的共振吸收峰。spr对金属表面环境折射率变化十分敏感，当金属周围环境折射率发生变化时，会引起吸收峰产生漂移，因此可以进行高灵敏的折射率测量。传统的spr传感器均采用棱镜来激发，一般由多种光学元件以及机械部件等构成，其体积较大，系统成本也较高。相比于棱镜型spr传感器，光纤型spr传感器具有体积小、重量轻、系统结构简单，以及可进行临场、实时检测等优势，受到了研究人员的广泛关注。
[0003]
目前，出现了许多基于光纤spr传感器的专利报道，如专利申请号 cn201910514612.5“一种干涉型光纤spr传感器”和专利申请号 cn201611140594.1“一种纤芯折射率可调的光纤spr传感器及其制作方法”等。但这些所报道的光纤spr传感器大多数均基于石英光纤，而石英材料质地坚硬、易碎，其制备加工过程不易重复，限制了光纤spr传感器的发展。相比于石英光纤，塑料光纤具有质地柔软、柔韧性好，是制备和发展光纤spr传感器的理想光纤材料。然而，塑料光纤spr传感器常常存在着一些问题，一方面是塑料光纤的芯径较大，传输模式较多，通常其所激发的spr共振谱的宽度较大，不适用于高精度的spr传感。另一方面，塑料光纤spr传感器复用困难，难于实现多参量的同时检测，导致其检测效率偏低、检测成本较高。虽然已有一些多通道光纤spr传感器被提出来，如专利申请号cn106525775 a“一种单模光纤和多模光纤级联应用的多通道spr传感器”和专利申请号cn106066312 a“一种多通道表面等离子体共振光纤传感探针及测量方法”，但上述方案均采用石英光纤，并且其方法很难移植到塑料光纤spr传感器当中。因此，如何窄化塑料光纤所激发的spr共振峰，提高其spr的激发效率和测量精度，以及如何实现多参量传感是塑料光纤spr传感器急需解决的问题。


技术实现要素：

[0004]
本发明利用了模压成型技术，通过在塑料光纤上分别制备出对称和非对称的 v槽结构，并在其上镀制纳米金属膜，形成spr有源区，从而可以分别解决塑料光纤spr传感器激发效率低，以及难于进行多参量传感等问题。另外，本发明提供了一种结构简单、易于制备与批量化生产、成本低廉的spr传感器及其制备方法。
[0005]
一种塑料光纤spr传感器，其由光源、塑料光纤spr传感探头、光电检测装置等组成，该塑料光纤spr传感探头是通过在塑料光纤上制备出对称或者非对称的v型槽结构，然后在该v型槽结构上镀贵金属膜而获得的。其具体制备步骤如下：
[0006]
1)将塑料光纤放置于带有u型微槽的钢制底座中，使用带有v型槽结构的模具垂直压在光纤上面，保持该状态1～2分钟，然后将其移去，就可以在塑料光纤沿中心轴线方向上制备出v型槽结构。采用该方法，通过改变模具压制的位移量就可以制备出不同深度的v型槽结构。利用不同结构的模具，就可以在塑料光纤上制备出不同结构的v型槽结构。采用对称的v型槽结构可实现增强型的塑料光纤spr传感器；采用非对称的v型槽结构可实现双通道的塑料光纤spr 传感器。优选的，v型槽结构的角度为5～50
°
，v型槽结构的深度为50～400μm。
[0007]
2)采用离子溅射的方法可以将金、银等贵金属材料镀在塑料光纤的非对称 v型槽结构上，从而形成spr有源区域。通过调整离子溅射仪的真空度、距离、电流以及时间等参数，可以改变所镀金属膜厚度。优选的，所镀金属膜为金，其厚度为20～90nm。
[0008]
所述的塑料光纤为多模商用塑料光纤，光纤的外径为175～1500μm，纤芯直径范围为170～1480μm，纤芯折射率为1.49，包层折射率为1.41。所述传感器的光源为卤素灯，所述的光电检测装置是可见光光谱仪。
[0009]
对于增强型塑料光纤spr传感器，采用对称的v型槽结构一方面可以使入射光在v型槽结构的前侧斜面产生倏逝波激发spr效应，当v型槽的角度满足一定的条件时，该入射光可以在v型槽下面的纤芯/包层界面发生全反射，而后又以同样的角度入射到v型槽的另外一侧，再一次激发同样的spr效应。这样，同一束入射光就可以连续两次激发spr效应，其结果会导致共振峰深度增加，从而实现spr的增强效果。
[0010]
而采用非对称的v型槽结构塑料光纤可实现双通道的光纤spr传感器。其工作原理是基于不同角度的入射光会使不同波长的光激发spr效应，所以利用传输光在非对称v型槽的两个非对称斜面分别以不同的角度入射，可以先后两次激发不同的spr效应，从而形成两个spr共振吸收峰，即两个spr传感通道。
[0011]
其工作原理可以通过传输光透射光谱的计算来阐述，传输光在通过v型槽结构前侧斜面激发spr效应后，其归一化传输功率p
tran
可写为，
[0012][0013]
式中，θ是入射光在第一个楔形结构的入射角，其大小与v型槽的倾斜角ω相关，θ
c
是入射光发生全反射的临界角，r
p
是光强反射系数，其是入射光波长、纤芯折射率、金属膜的介电常数，以及环境折射率的函数，n(θ,z)是发生反射的次数。同样，传输光在只通过v型槽后侧斜面结构激发spr效应后，其归一化传输功率p
′
tran
可写为，
[0014][0015]
则入射光在v型槽结构两侧两次激发spr效应后，其归一化传输功率p可写为，
[0016]
p＝p
tran
·
p
tran
′
[0017]
对于对称的v型槽结构p
tran
＝p
tran
′
，而对于非对称的v型槽结构 p
tran
≠p
tran
′
。
[0018]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0019]
(1)本发明的光纤spr传感器采用质地柔软、柔韧性好，易于进行结构改造的塑料
光纤来设计，有利于降低器件的制备成本。
[0020]
(2)通过模压成型这种简单的制备方法在塑料光纤上制备v型槽结构，具有制备工艺简单，易于批量化生产等优势。
[0021]
(3)通过改变v型槽结构的对称性可分别实现增强型和双通道的塑料 spr传感器，该方法实施简单，易于实现，有利于器件的集成化。
附图说明
[0022]
图1分别是对称与非对称v型槽结构塑料光纤spr传感探头的示意图；
[0023]
图2是塑料光纤v型槽结构的制备示意图；
[0024]
图3分别是基于对称和非对称v型槽结构的增强型和双通道塑料光纤spr 传感器的归一化透射仿真光谱图；
[0025]
图4是v型槽结构塑料光纤spr传感系统示意图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。
[0027]
参见图1，为对称(a)与非对称(b)v型槽结构塑料光纤spr传感探头结构示意图。如图1(a)所示，1为塑料光纤，2为塑料光纤上的对称v型槽结构， 3为金属膜，优选地，金属膜采用纳米金颗粒，其厚度为40nm。其工作原理是：当光纤中传输光波所产生的倏逝波与金属表面所产生的表面等离子体波的波矢相匹配时，便会产生共振，从而在透射光谱的特定波长位置处会产生吸收峰。当金属周围环境折射率发生变化时会使吸收峰的位置产生漂移。因此，可以通过监测光谱共振峰位置的变化来检测待测物质折射率的变化。当对称v型槽的角度满足一定的条件时，入射光在v型槽结构的前侧斜面可以产生激发表面等离子体共振的倏逝波，从而激发spr效应，而该束光会继续在v型槽结构下方的纤芯-包层界面发生全反射，之后以同样大小的入射角到达v型槽结构的另外一个侧面区域发生全反射，从而再一次激发同样的spr效应。这样，同一束入射光就可以连续两次激发spr效应，可以导致共振峰的深度增加，从而实现spr效果的增强。
[0028]
图1(b)是非对称v型槽结构塑料光纤spr传感探头示意图。1-1为塑料光纤，1-2为非对称v型槽结构前侧，1-3为非对称v型槽的后侧，1-4为所镀金属膜的结构示意图。该双通道塑料光纤spr传感器的工作原理是基于不同角度的入射光会使不同波长的光激发spr效应，所以利用传输光在非对称v型槽的两个非对称斜面分别以不同的角度入射，可以先后两次激发不同的spr效应，从而形成两个spr共振吸收峰，即两个spr传感通道。
[0029]
参见图2，是采用模压成型方法在塑料光纤上制备v型槽结构的示意图。其具体制备步骤如下：将塑料光纤放置于带有u型微槽的钢制底座5中，将带有v 型槽结构的模具6垂直压在光纤上面，保持该状态1～2分钟，然后将其移去，就可以在塑料光纤沿中心轴线方向上制备出v型槽结构。通过使用不同v型槽结构的模具，可以制备出对称与非对称的v型槽结构；通过改变模具压制的位移量就可以制备出不同深度的v型槽结构，优选的，v型槽结构的深度为200μm。对于增强型塑料光纤spr传感器，采用对称的v型槽结构，优选的，v型槽的角度为12
°
；对于双通道塑料光纤spr传感器，采用非对称的v型槽结构，优选的，v型槽前侧结
构的角度为6
°
，后侧角度的结构为16
°
。
[0030]
参见图3，为基于对称(a)和非对称(b)v型槽结构的增强型和双通道的塑料光纤spr传感器的归一化透射仿真光谱图。从图3(a)中可以看出，对称v型槽结构可以两次激发spr效应，而两次激发spr效应所得到的共振吸收峰比一次激发的更深、更加锐利，可以实现spr共振增强的效果。
[0031]
从图3(b)为非对称v型槽结构塑料光纤spr传感器的归一化透射光谱仿真图。当v型槽的前侧倾角为6
°
，后侧倾角为16
°
时，在波长600和500nm 附近分别产生了两个共振吸收峰，形成了两个spr传感通道。
[0032]
参见图4，为本发明的v槽结构塑料光纤spr传感系统示意图，该系统由卤素灯光源7，v型槽结构塑料光纤传感探头8和可见光光谱仪9所组成。测量时需要将传感探头浸入到被测液体当中。
[0033]
对于非对称v型槽结构的塑料光纤双通道spr传感器，以同时测量液体折射率和温度为例，介绍一下采用该传感器如何进行双参量传感。为进行双通道 spr传感，首先需要建立起两个光纤spr共振吸收峰偏移量与被测物质折射率和温度的关系。两个共振吸收峰位置的偏移与物质的折射率和温度的关系可表示如下，
[0034][0035]
式中，δλ1与δλ2分别是第一个spr谐振峰和第二个谐振峰的偏移量，δn与δt分别为被测物质的折射率与温度的变化量。n1和n2分别是第一个spr共振吸收峰和第二个共振吸收峰对被测物质折射率的灵敏度(线性响应区间)，同理，t1和 t2分别是第一个spr共振吸收峰和第二个spr共振吸收峰对温度的灵敏度。
[0036]
因此，通过标定，可以得到以上的关系，通过这个关系式，在已知两个spr 共振吸收峰的条件下就可以得到被测物质的折射率和温度的变化情况，其可以由下式表示，
[0037]
。