基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置。塑料包層光纖上加工有兩個鍍制有厚度不同的納米金屬薄膜的SPR傳感區(qū)，光源出射的光，經(jīng)過單模光纖入射到塑料包層光纖中，在第一SPR傳感區(qū)和第二SPR傳感區(qū)的納米金屬薄膜與待測折射率液體的交界面上均激發(fā)SPR，在對應(yīng)的共振波長處光強衰減，厚度較薄的納米金屬薄膜在短波長處產(chǎn)生SPR，厚度較厚的納米金屬薄膜在長波長處產(chǎn)生SPR，最終通過光譜儀對傳感光譜進(jìn)行分析，進(jìn)而推知液體折射率。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，靈敏度高且實現(xiàn)分布式傳感等突出優(yōu)勢，其在生物傳感、藥品研發(fā)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
【專利說明】
基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及的是一種光纖傳感裝置，具體涉及一種基于光纖SPR的高靈敏度分布式液體折射率傳感裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]折射率是物質(zhì)的重要光學(xué)參數(shù)之一，借助折射率能了解物質(zhì)的光學(xué)性能、純度、濃度以及色散等性質(zhì)，同時在化工、醫(yī)藥、食品、石油等工業(yè)部門及高校實驗中，經(jīng)常要測定一些液體的折射率和濃度。因此，對液體折射率的準(zhǔn)確測量，在許多研究領(lǐng)域都有重要意義。
[0003]光纖表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是光束經(jīng)光纖以全反射方式傳播過程中，在裸露纖芯處的介質(zhì)層與外界待測介質(zhì)的分界面處相互作用所產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象。光纖SPR的液體折射率傳感裝置中，主要分為終端反射式和在線傳輸式兩種，傳感區(qū)都是由敏感層、金屬薄膜和纖芯構(gòu)成。不同之處在于終端反射式光纖SPR傳感器的傳感探頭位于光纖尾端，同時在光纖尾端需要增設(shè)反射鏡，光源發(fā)出的光和尾端反射鏡反射回來的光都將發(fā)生共振，最后對返回的光強度或光譜進(jìn)行定量分析。而在線傳輸式光纖SPR傳感器的傳感探頭位于光纖中間位置，尾端不需要增設(shè)反射鏡，在光纖尾端對輸出光強度或光譜與待測液體折射率的關(guān)系進(jìn)行定量分析。兩者比較而言，各有優(yōu)缺點，本發(fā)明以在線傳輸式作為基礎(chǔ)。
[0004]2007年，曾捷(中國激光，2007，34:243-248)等人在文章中提出了一種準(zhǔn)分布式光纖表面等離子體波傳感器，同樣是基于在線傳輸式不同膜厚控制實現(xiàn)液體折射率分布式傳感，方案為:在一段多模光纖探頭上選取一段作為傳感區(qū)，在該傳感區(qū)連續(xù)分布有三段子傳感區(qū)，每段子傳感區(qū)長約15mm。傳感區(qū)上在鍍有一定厚度的金膜，在此基礎(chǔ)上三段連續(xù)的子傳感區(qū)鍍有不同厚度的Ta205薄膜作為調(diào)制層，分別為0nm，15nm和30nm。當(dāng)光波到達(dá)三個傳感區(qū)域時，在不同波長處激發(fā)相應(yīng)的SPR，形成三個典型的表面等離子體波共振波谷。上述方案中，需要傳感區(qū)上鍍制一定厚度金膜，在此基礎(chǔ)上，在三段連續(xù)的子傳感區(qū)鍍有不同厚度的Ta2O5薄膜作為調(diào)制層，因為其三段子傳感區(qū)是連續(xù)的，所以對每段子傳感區(qū)長度進(jìn)行精確的控制較為困難，如若控制不好必影響其它子傳感區(qū)；而且需要多次鍍制納米金屬膜，制備過程相對復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度大、操作便捷、價格低廉的基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0007]包括光源1、單模光纖2、塑料包層光纖3和光譜儀4，塑料包層光纖3上加工有第一SPR傳感區(qū)3-1和第二 SPR傳感區(qū)3-2，第一 SPR傳感區(qū)3-1與第二 SPR傳感區(qū)3-2鍍制有厚度不同的納米金屬薄膜，光源I出射的光，經(jīng)過單模光纖2入射到塑料包層光纖3中，在第一SPR傳感區(qū)3-1和第二 SPR傳感區(qū)3-2的納米金屬薄膜與待測折射率液體的交界面上均激發(fā)SPR，在對應(yīng)的共振波長處光強衰減，厚度較薄的納米金屬薄膜在短波長處產(chǎn)生SPR，厚度較厚的納米金屬薄膜在長波長處產(chǎn)生SPR，最終通過光譜儀4對傳感光譜進(jìn)行分析，進(jìn)而推知液體折射率。
[0008]本發(fā)明還可以包括:
[0009]1、第一SPR傳感區(qū)3-1和第二SPR傳感區(qū)3-2是在去除塑料包層的裸露纖芯上鍍制厚度不同的納米金屬薄膜制作而成的。
[0010]2、所述的光源I是光譜寬度為450nm — IlOOnm的超連續(xù)譜光源。
[0011]3、所述的塑料包層光纖3是纖芯直徑20(^111，包層外徑為23(^111，數(shù)值孔徑為0.37的塑料包層光纖。
[0012]4、第一 SPR傳感區(qū)3-1鍍有厚度為30nm的金膜，其傳感液體環(huán)境折射率在1.33-1.40之間。
[0013]5、第二 SPR傳感區(qū)3-2鍍有厚度為55nm的金膜，其傳感液體環(huán)境折射率在1.33-1.40之間，與第一SPR傳感區(qū)3-1所傳感的液體折射率相同或不同。
[0014]本發(fā)明搭建了一種基于光纖SPR高靈敏度的分布式液體折射率傳感裝置，其最大創(chuàng)新點在于本裝置利用一根塑料包層光纖，在一根光纖上制作兩個傳感區(qū)，僅僅通過對傳感區(qū)上納米金屬膜厚度的控制即可實現(xiàn)對兩種未知折射率液體的分布式測量。與類似的光纖分布式液體折射率傳感裝置相比，不僅具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡易，操作便捷的特點，而且在對液體的折射率測量結(jié)果上具有與單級傳感器相同的高靈敏度的特點，不存在兩級相互干擾最終導(dǎo)致靈敏度降低的情況。通過光纖對實驗數(shù)據(jù)的傳輸，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的實時檢測;結(jié)合光纖本身柔軟、耐腐蝕、不發(fā)熱、無輻射、可繞曲、電絕緣可以在強電磁干擾、易燃易爆、毒性氣體等復(fù)雜環(huán)境條件下工作的優(yōu)點。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0016]1、本發(fā)明提出的分布式液體折射率傳感器基于一根且連續(xù)的塑料包層光纖制成，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易制作，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0017]2、本發(fā)明在一根塑料包層光纖上制做兩個光纖SPR液體折射率傳感區(qū)，且僅通過對傳感區(qū)上納米金屬膜厚度的控制，使兩個傳感區(qū)產(chǎn)生的SPR共振位置具有明顯差異，最終達(dá)到使兩級波谷互不干擾，從而形成分布式傳感的目的，因此本發(fā)明的傳感器具有各級靈敏度與單級靈敏度相同的特點，從而實現(xiàn)高靈敏度的特性。
[0018]3、本發(fā)明分布式液體折射率傳感裝置，由兩個SPR傳感區(qū)組成，其構(gòu)成雙通道參考測量系統(tǒng)，其可有效彌補背景折射率的干擾及非特異性結(jié)合、物理吸收等造成的干擾。
[0019]本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，靈敏度高且實現(xiàn)分布式傳感等突出優(yōu)勢，其在生物傳感、藥品研發(fā)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為SPR傳感區(qū)示意圖，為圖1中3-1與3-2結(jié)構(gòu)處的放大圖，其框為表示光纖需傳感的液體環(huán)境。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的論述:
[0023]結(jié)合圖1，本發(fā)明的基于光纖SPR的高靈敏度分布式液體折射率傳感裝置包括光源
1、單模光纖2、塑料包層光纖3、第一 SPR傳感區(qū)3-1、第二 SPR傳感區(qū)3-2和光譜儀4。塑料包層光纖3上加工有第一 SPR傳感區(qū)3-1和第二 SPR傳感區(qū)3-2，兩處SPR傳感區(qū)是在去除塑料包層的裸露纖芯上鍍制厚度不同的納米金屬薄膜制作而成。光源I出射的光，經(jīng)過單模光纖2入射到塑料包層光纖3中，在第一 SPR傳感區(qū)3-1、第二 SPR傳感區(qū)3-2的納米金屬薄膜與待測折射率液體的交界面上均激發(fā)SPR，在對應(yīng)的共振波長處光強衰減。由于第一 SPR傳感區(qū)3-1、第二SPR傳感區(qū)3-2鍍制的納米金屬薄膜厚度不同，產(chǎn)生的SPR共振波谷位置也不同，厚度較薄的金屬膜在短波長處產(chǎn)生SPR，而厚度較厚的金屬膜在長波長處產(chǎn)生SPR，因而可以通過對納米金屬膜厚度的控制，使兩個SPR傳感區(qū)對應(yīng)的SPR共振谷位置產(chǎn)生明顯差異，從而實現(xiàn)SPR分布式傳感，最終通過光譜儀4對傳感光譜進(jìn)行分析，進(jìn)而推知液體折射率。本發(fā)明的優(yōu)化設(shè)計包括:
[0024]光源I選擇光譜寬度為450nm — IlOOnm的超連續(xù)譜光源。
[0025]塑料包層光纖3選擇纖芯直徑為20(^111、包層外徑為23(^111、數(shù)值孔徑為0.37的塑料包層光纖。
[0026]第一SPR傳感區(qū)3-1鍍有厚度為30nm的金膜，其傳感液體環(huán)境折射率在1.33-1.40之間，第一SPR傳感區(qū)3-1的長度為lcm-2cm0
[0027]第二所述SPR傳感區(qū)3-2鍍有厚度為55nm的金膜，其傳感液體環(huán)境折射率在1.33-1.40之間，與第一SPR傳感區(qū)3-1所傳感的液體折射率可以相同，也可不同。第二SPR傳感區(qū)3-2的長度為lcm_2cm。
[0028]本發(fā)明的基于光纖SPR的高靈敏度分布式液體折射率傳感裝置的制造方法具體步驟為:
[0029]1、取一段200μπι塑料包層光纖3，將光纖的兩端剝除光纖的涂覆層lcm-2cm，使用無紡布蘸取酒精和乙醚的混合液，反復(fù)擦拭光纖外包層，直至清潔后備用；
[0030]2、用光纖切割刀將清潔后的200μπι塑料包層光纖3端面切割平整；
[0031 ] 3、將200μπι塑料包層光纖3上，選取兩段，均為大約lcm_2cm，將其剝?nèi)ネ扛矊?，用刀片將其塑料包層去掉，并將處理后的兩段依次貼在載玻片上。
[0032]4、清洗小型離子濺射儀，并將制作好貼在載波片上的光纖先后放置在小型離子濺射儀的鍍膜區(qū)域，分別鍍制30nm和55nm的金膜，即完成第一 SPR傳感區(qū)3-1和第二 SPR傳感區(qū)3-2的制作。
[0033]4、在光纖焊接機中，將光源I的單模光纖2和200μπι塑料包層光纖3—端纖芯正對焊接，取出焊好的光纖。
[0034]5、將20(^111塑料包層光纖3另一端接至測量范圍可以覆蓋450醒一1100腹的光譜儀。
[0035]6、用甘油和蒸餾水調(diào)配折射率不同的液體，在調(diào)配過程中用阿貝折射率分析儀來測量所調(diào)配的液體折射率，分別調(diào)配液體折射率在I.33—1.40范圍內(nèi)的液體，將其放在相應(yīng)的滴瓶中備用。
[0036]7、在第一SPR傳感區(qū)3-1和第二SPR傳感區(qū)3-2，即金膜厚度較薄和金膜厚度較厚的SPR傳感區(qū)域滴上已經(jīng)配好折射率的液體，該兩個結(jié)構(gòu)處可滴相同的折射率液體，也可不同，采集光譜，將光譜儀4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。
[0037]8、將數(shù)據(jù)拷出，在計算機上用MATLAB程序進(jìn)行處理即可知道所測的液體的折射率，進(jìn)而形成高靈敏度的分布式液體折射率傳感器。
【主權(quán)項】
1.一種基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置，包括光源[I ]、單模光纖[2]、塑料包層光纖[3]和光譜儀[4]，其特征是:塑料包層光纖[3]上加工有第一 SPR傳感區(qū)[3-1 ]和第二SPR傳感區(qū)[3-2]，第一SPR傳感區(qū)[3_1 ]與第二SPR傳感區(qū)[3_2]鍍制有厚度不同的納米金屬薄膜，光源[I]出射的光，經(jīng)過單模光纖[2]入射到塑料包層光纖[3]中，在第一 SPR傳感區(qū)[3-1 ]和第二 SPR傳感區(qū)[3-2]的納米金屬薄膜與待測折射率液體的交界面上均激發(fā)SPR，在對應(yīng)的共振波長處光強衰減，厚度較薄的納米金屬薄膜在短波長處產(chǎn)生SPR，厚度較厚的納米金屬薄膜在長波長處產(chǎn)生SPR，最終通過光譜儀[4]對傳感光譜進(jìn)行分析，進(jìn)而推知液體折射率。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置，其特征是:第一SPR傳感區(qū)[3-1 ]鍍有厚度為30nm的金膜，其傳感液體環(huán)境折射率在1.33-1.40之間。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置，其特征是:第二SPR傳感區(qū)[3-2]鍍有厚度為55nm的金膜，其傳感液體環(huán)境折射率在1.33-1.40之間，與第一SPR傳感區(qū)[3-1 ]所傳感的液體折射率相同或不同。4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置，其特征是:第一SPR傳感區(qū)[3-1]和第二SPR傳感區(qū)[3-2]是在去除塑料包層的裸露纖芯上鍍制厚度不同的納米金屬薄膜制作而成的。5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置，其特征是:所述的光源[I ]是光譜寬度為450nm—I 10nm的超連續(xù)譜光源。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置，其特征是:所述的光源[I ]是光譜寬度為450nm—I 10nm的超連續(xù)譜光源。7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置，其特征是:所述的塑料包層光纖[3]是纖芯直徑200μπι，包層外徑為230μπι，數(shù)值孔徑為0.37的塑料包層光纖。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置，其特征是:所述的塑料包層光纖[3]是纖芯直徑20(^111，包層外徑為23(^111，數(shù)值孔徑為0.37的塑料包層光纖。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置，其特征是:所述的塑料包層光纖[3]是纖芯直徑20(^111，包層外徑為23(^111，數(shù)值孔徑為0.37的塑料包層光纖。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于光纖表面等離子體共振的分布式液體折射率傳感裝置，其特征是:所述的塑料包層光纖[3]是纖芯直徑20(^111，包層外徑為23(^111，數(shù)值孔徑為0.37的塑料包層光纖。
【文檔編號】G01N21/41GK105866070SQ201610363079
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】趙恩銘, 王雨杉, 魏勇, 劉志海, 張羽, 張亞勛, 苑立波
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)