分布式表面等离子体共振光纤传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种光纤传感器，特别是一种主要用于外界环境折射率、空气浓 度等传感测量的分布式SPR光纤传感器。
【背景技术】
[0002] 表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR)效应是一种对外界环境变 化非常敏感的发生于金属与电介质分界面的物理光学现象。光波在金属和电介质的交界面 发生全内反射，产生倏逝波，倏逝波在入射光沿交界面方向的波矢与表面等离子体波的波 矢相等时，引起表面等离子体共振，导致光波在传输过程中产生能量损失，即在光谱中出现 明显的共振波谷。外界环境折射率或气体浓度的改变能够引起共振波谷位置的偏移，所以 通过对共振波谷进行实时监测可以实现对外界环境折射率或气体浓度的传感。
[0003] SPR传感技术具有灵敏度高、易于实现、无需标记等优点，已经被广泛的应用于多 种检测领域中。最早实现的SPR传感器是棱镜式SPR传感器，但由于其具有成本高、系统复 杂、体积大、不方便携带等缺点限制了这种传感器的应用。1993年美国的R. C. Jorgenson博 士提出 了光纤 SPR 传感器（Ralph Corleissen Jorgenson. Fiber-optic chemical sensor based on surface plasmon resonance.Sensors and Actuator[J]s, B:Chemical, v B12, n 3, Apr 151993, p 213-220)，自此开创了光纤SPR传感器的新篇章。因为光纤SPR传感器具 有体积小、易集成、不受机械振动和光源波动干扰等优点，目前已经成为SPR传感器研究的 主流方向。
[0004] 2003年曹振新等人成功研制出纵向分布式SPR光纤传感器，并申请了名为"纵向 分布式表面等离子体波传感器"的发明专利（专利申请号为：03113077. 1)，这种纵向分布 式SPR光纤传感器制作原理与传统形式的单通道SPR传感器相同，由于其光纤侧面的传感 区域形式固定，传感器仅能通过改变膜厚来调节共振波长，其对应的探测光谱为多个入射 角度产生效果的叠加，导致测量信号半带宽和强度都不够理想；2005年彭伟等人使用纤芯 直径为600 μπι的多模光纤研制出了多通道SPR光纤传感器，并申请了名为"角度调谐式多 通道光纤表面等离子体共振传感探头"的发明专利（专利申请号为：201110089650. 4)，这 种SPR光纤传感器在一个光纤端集成了多个传感通道，但是其只能进行单一通道的实时检 测，对于多个参量需要分时检测。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种结构简单，灵敏度高，能够实现多通道实时测量的分 布式表面等离子体共振光纤传感器。
[0006] 本发明的目的是这样是实现的：
[0007] 在一段双芯光纤上加工有成对分布的V型槽，V型槽的深度超过纤芯，每对V型槽 中的两个V型槽相互错位布置，V型槽的斜面上镀有传感层；在每对V型槽中，从第一纤芯 入射的宽谱光在第一 V型槽斜面处激发SPR并发生全反射，反射至第二V型槽斜面处也激 发SPR并反射至第二纤芯；光在各对V型槽中依次传递实现分布式传感。
[0008] 本发明还可以包括：
[0009] 1、每对V型槽中的两个V型槽的错位量L满足L = d*cot〇，其中d为两纤芯间 距、Φ为V型槽的顶角角度。
[0010] 2、所述的传感层的厚度为35-65纳米，传感层的材料金、银、铝或铜。
[0011] 本发明提供了一种结构简单，灵敏度高，能够实现多通道实时测量的分布式SPR 光纤传感器。一段双芯光纤1侧面加工有多组V型槽对2, V型槽对2的斜面上镀有传感层 3,从第一纤芯4入射的宽谱光在第一 V型槽斜面5处激发SPR并发生全反射，由于错位相 对的两个V型槽角度相同，因此光会反射至第二V型槽斜面6处，也会激发SPR并反射至第 二纤芯7,依次类推实现分布式传感。双芯光纤1的两纤芯间距为d。每组V型槽对2是由 两个具有相同角度Φ、错位量L为d*cot?的V型槽组成，V型槽的深度超过纤芯。V型槽 对2可以具有相同的角度，也可以具有不同的角度，但是应当满足激励SPR的角度条件。传 感层）在不同V型槽对2上可以具有相同厚度，也可以具有不同厚度，但具有相同角度的V 型槽对2,应当镀制不同厚度的传感层3。传感层3可以是厚度为35-65纳米的金、银、铝或 铜，也可以是其他能够激励SPR的材料。
[0012] 其工作原理为：
[0013] 如图3所示，SPR传感原理为入射光场以金属/光学介质为激励结构，在介质与金 属膜界面发生全反射，产生倏逝波，倏逝波的波矢K ew与金属表面等离子体波的波矢K spz相 匹配时，两种电磁波模式会强烈耦合，导致一部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，导 致反射光的强度明显降低。SPR传感器正是基于这种现象实现对外部环境参量的检测。
[0014] SPR波矢匹配公式为：
[0015]
[0016] 式中，ω为光频，c为光速，Θ为入射角，ε。、ε p ε 2、分别为波导介质、金属膜、 待测介质的介电常数，Ak为材料引起的波矢失配量。
[0017] 光纤SPR传感器中，光纤作为光学介质与金属膜相结合形成了 SPR效应的激励面， 在分布式SPR光纤传感器中，镀有传感层的V形槽斜面就是SPR效应的激励面。宽谱光照 射在V型槽的斜面上，当光的入射角度（V型槽斜面角度）、传感层的厚度和环境介质折射 率合适时，光在斜面上发生全内反射并产生倏逝场，并且使得K ew与K spz相匹配，产生SPR效 应，表面等离子体波会吸收部分入射光的能量，导致某一波长的光强度明显降低。光经过多 组V型槽对，光线在两个纤芯中交替传播，由于不同的V型槽对具有不同角度的斜面或不 同厚度的传感层，出射光谱会出现多处吸收谷，当改变外界某一介质折射率时，相应光谱吸 收谷会有明显的移动，根据光谱的变化即可判断介质折射率的改变，同一传感器上的多组V 型槽对能够实现多通道的实时监测，即分布式传感。
[0018] 与现有技术相比，本发明的优点为：