一种可连续调节工作波段的光纤SPR传感器

一种可连续调节工作波段的光纤spr传感器
技术领域
1.本实用新型属于光纤传感领域，涉及一种可连续调节工作波段的光纤spr传感器。


背景技术：

2.表面等离子体共振(spr)传感器是一项新兴的生物化学检测技术，其具有灵敏度高、无需标记、实时检测等优势，广泛应用于食品安全、环境检测、生物医学等领域。
3.光纤spr传感器是一种基于spr原理制成的新型光纤传感器，具有体积小，灵敏度高，抗电磁辐射和干扰，可实现远距离遥感测量等诸多优势。光纤spr检测原理可描述为：当光束从光密介质入射到光疏介质时会在两种介质的界面处发生全反射，此时光波的电磁场强度在分界面处并不立即减小为零，而是随入射深度呈指数衰减，形成消逝波。消逝波的有效深度一般为100～200nm，由于光纤spr传感器金属膜厚度小于消逝波的深度，在金属膜与溶液界面处，消逝波仍然起作用。同时在金属膜与样品的界面处，金属表面的自由电子被激发，形成表面等离子体波。并且不同入射角对应着不同的传播模式，当入射角为某一适当值时，倏逝波与金属表面等离子体的频率和波数相等，二者即发生共振，此时入射光的部分能量被吸收，而反射光的能量急剧下降，在反射光谱上将出现反射强度最低的共振峰。而当与金属薄膜表面接触的介质折射率不同时，其共振峰的位置将发生改变，因此可以通过改变待测液体折射率和纤芯折射率之间的差值对待测样品的折射率进行检测。
4.然而光纤一经制作完成，纤芯折射率就已经固定，基于光纤加工而成的光纤spr传感器的工作波段范围就固定了，因而传统工艺加工而成的光纤spr传感器存在工作波段范围无法改变的缺点，难以实现基于波分复用技术的多通道传感。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种可连续调节工作波段的光纤spr传感器，解决传统光纤spr传感器工作波段无法动态改变的缺点。通过等离子溅射镀膜技术和磁控溅射镀膜技术，在剥去涂覆层的光纤表面依次镀制金膜和二硫化碳膜，再将可调单色光源照射到镀完膜的传感区，通过单色光源的功率变化改变二硫化碳调制膜的介电常数，进而改变光纤spr效应的共振谱范围，实现动态调节工作波段。
6.为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
7.一种可连续调节工作波段的光纤spr传感器，包括宽谱光源1、注光光纤2、传感光纤3、可调单色光源4、收光光纤5、光谱仪6、计算机7；宽谱光源1与注光光纤2左端连接为整个装置提供入射光；注光光纤2右端与传感光纤3左同轴焊接；传感区设置在传感光纤3中部；传感区表面环镀一层传感金属膜3-1；传感金属膜3-1外侧环镀一层介电常数随可调单色光源的光强连续变化的传感调制膜3-2；单色光源4位于传感调制膜3-2正上方，传感光纤3右端与收光光纤5左端同轴焊接；收光光纤5右端与光谱仪6连接用于收集其出射光并显示光谱；光谱仪6与计算机7连接用于进行后续数据处理。所述宽谱光源1用于产生稳定的输入光；所述注光光纤2用于接收并传递宽谱光源1的输入光；所述传感光纤3中部2cm为传感区，
传感区依次镀制传感金膜3-1和传感调制膜3-2，利用传感调制膜3-2折射率和外加可调单色光源4强度的线性关系n＝n0+γi(其中n0是线性折射率，值为1.6272。γ是非线性系数，其值为2.1
×
10-7
μm2/瓦。i是激光束的辐照度)，通过调节外加可调单色光源4的光照强度改变传感调制膜3-2(可以为二硫化碳膜)的介电常数，进而改变spr共振谱的工作波段范围；所述收光光纤5用于接收并传递输出光；所述光谱仪6用于收集其出射光并显示光谱；所述计算机7用于进行后续数据处理。
8.可选地，所述注光光纤为普通单模光纤，传感光纤纤芯直径为125μm的塑料包层多模光纤，收光光纤为纤芯直径为105μm的阶跃多模光纤。
9.可选地，所述传感光纤为多模光纤。
10.可选地，所述收光光纤为其他芯径较大的阶跃或渐变折射率多模光纤。
11.可选地，所述的传感金属膜可以是金膜也可以是银膜或者其他其他可以产生spr效应的贵金属膜，传感金膜厚度一般为50nm，其他贵金属膜可根据传感需求选择合适的膜厚；传感调制膜可以是二硫化碳或者其他介电常数可随光强变化的材料，二硫化碳膜厚为20nm，其他材料可根据传感需求选择对应膜厚。
12.本实用新型提出的一种可连续调节工作波段的光纤spr传感器，具有结构新颖、制作难度小、可调节工作波段等优势。通过调节单色光源的光强，控制调制膜的介电常数，进而可以实现连续改变spr共振谱的工作波段范围，控制方法简单易操作，实时性强，且可连续无级调节，克服了传统光纤spr传感器工作波段范围单一的缺点，为实现基于波分复用技术的光纤spr多通道传感奠定基础。在生物制药、食品安全检测及化学检测领域将得到广泛的研究与应用。
13.本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
14.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：
15.图1为可连续调节工作波段的光纤spr传感器的系统示意图；
16.图2为可连续调节工作波段的光纤spr传感器的结构示意图；
17.图3为可调单色光源不工作的实验测试曲线图；
18.图4是可调单色光源光照功率密度为40mw/mm2的实验测试曲线图；
19.图5是可调单色光源光照功率密度为60mw/mm2的实验测试曲线图；
20.图6是可调单色光源4光照功率密度为80mw/mm2的实验测试曲线图；
21.图7是可调单色光源4光照功率密度为100mw/mm2的实验测试曲线图。
具体实施方式
22.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点。本实用新型还可以通过另外不同的
具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
23.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
24.本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
25.请参阅附图1—图2，附图中的元件标号分别表示：宽谱光源1、注光光纤2、传感光纤3、传感金属膜3-1、传感调制膜3-2、可调单色光源4、收光光纤5、光谱仪6、计算机7。
26.本实用新型涉及一种可连续调节工作波段的光纤spr传感器，光源1为宽谱光源，波长范围为400-2400nm；注光光纤2为普通单模光纤，纤芯直径为8.3μm，长度为1m，用于传输宽谱光源1发出的光并将光注入到传感光纤3中；传感光纤3为纤芯直径为125μm，塑料包层直径170μm，涂覆层直径250μm的塑料包层多模光纤，传感光纤3中间2cm区域通过机械剥除去掉涂覆层和塑料包层，环形镀制50nm金属薄膜3-1和20nm二硫化碳薄膜3-2；可调单色光源4使用波长为800nm的单色光，最大功率为500mw，配备功率连续可调控制器；收光光纤5为芯径105μm，包层直径125μm的阶跃多模光纤，长度为1m，收光光纤5用于将传感光纤3输出的光传输到光谱仪6内，供光谱仪6对光信号进行采集与解调，计算机7对采集到的数据进行分析和处理。所涉及的光谱仪6为横河aq6373b光谱仪，波长范围覆盖350-1200nm。
27.具体的制作方法为：取一段1m长的单模注光光纤2，用米勒钳剥除注光光纤2的两端涂覆层3-5cm，然后用酒精将其擦拭干净，用光纤切割刀将注光光纤2两端做切平处理，处理完成后放置一旁备用；取一段10cm的传感光纤3(这里以塑料包层多模光纤为例)和一段1m长的收光光纤5(这里以纤芯直径为105μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.22的阶跃多模光纤为例)，用同样的方式将两端做切平处理；将传感光纤中间2cm处用刀片剥除涂覆层和塑料包层，并用酒精清洁，作为传感光纤的传感区；将处理好的注光光纤2右端和传感光纤3左端放置在光纤焊接机夹具上，正对同轴焊接后取出焊接好的光纤；同样，将之前处理好的收光光纤阶跃多模光纤5左端和传感光纤3的右端放置在焊接机夹具上，正对同轴焊接后取出焊接好的光纤，传感探针结构制作完成；用无纺布蘸取适量高浓度酒精擦拭传感探针结构，将做好传感探针结构的光纤夹持固定在金属溅射仪光纤旋转夹具上，环形镀制50nm金膜，然后再环形镀制20nm二硫化碳膜，可连续调节工作波段的光纤spr传感探针就制作完成。
28.附图3-图7为本实用新型提出的可连续调节工作波段的光纤spr传感器实验测试曲线，其中图3为可调单色光源4不工作，待测溶液折射率范围1.33riu-1.37riu，归一化实
验数据，共振波长范围为711.212nm到839.596nm；图4到图7为可调单色光源4工作，待测溶液折射率范围1.33riu-1.37riu，归一化实验数据，其中图4是可调单色光源4光照功率密度为40mw/mm2的实验测试曲线，共振波长范围为744.343nm到876.869nm，相比可调光源4不工作时，spr工作波段向长波长移动了33.131nm；图5是可调单色光源4光照功率密度为60mw/mm2的实验测试曲线，共振波长范围为752.626nm到889.293nm，相比可调光源4不工作时，spr工作波段向长波长移动了41.414nm；图6是可调单色光源4光照功率密度为80mw/mm2的实验测试曲线，共振波长范围为756.768nm到897.576nm，相比可调光源4不工作时，spr工作波段向长波长移动了45.556nm；图7是可调单色光源4光照功率密度为100mw/mm2，共振波长范围为769.192nm到912.626nm，相比可调光源4不工作时，spr工作波段向长波长移动了57.98nm。由实验测试结果可知，通过调节可调单色光源4的光照功率密度增大，该spr传感器的工作波段整体向长波长移动，即本实用新型提出的可连续调节工作波段的光纤spr传感器可实现工作波段的连续调节。
29.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。