一種光纖傳感器及測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種光纖傳感器及測量系統(tǒng)，光纖傳感器包括D形光子晶體光纖，D形光子晶體光纖的橫截面呈D形使得D形光子晶體光纖具有一平面，其平面附著有納米金屬傳感層。本實用新型提供的光纖傳感器采用D形光子晶體光纖，該D形光子晶體光纖可為空心光子晶體光纖且中心孔中填充有用于調(diào)控傳輸光的等效折射率和色散性的溶液，通過控制芯模的波矢長度改變表面等離子體共振的共振點，從而擴大由于外界環(huán)境變化引起的共振波長的移動，提高了傳感器的靈敏度，實現(xiàn)了高精度的折射率測量，并可用于高靈敏度的生化反應(yīng)分析的研究。
【專利說明】一種光纖傳感器及測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光學(xué)傳感器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種光纖傳感器及測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離子體共振(SurfacePlasmonResonance, SPR)檢測技術(shù)是過去三十年中最成功的生化檢測技術(shù)，廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學(xué)、細胞信號傳導(dǎo)、受體/配體、抗體/抗原分子垂釣、免疫識別、癌癥研究和新藥篩選等生命科學(xué)領(lǐng)域，可實現(xiàn)蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)一核酸，新藥分子一靶蛋白等生物分子相互作用過程的實時和動態(tài)研究，已成為生命科學(xué)和制藥研究上的標(biāo)準(zhǔn)工具。近年來，由于光纖表面等離子體共振傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、可實時監(jiān)測、易于實現(xiàn)特異性檢測，而且不需要標(biāo)記樣品，以及原位(in situ)在線監(jiān)測等優(yōu)點，獲得廣泛的研究關(guān)注。光纖表面等離子體共振傳感器通常使用傳統(tǒng)的多模光纖或單模光纖。多模光纖表面等離子體共振傳感器多采用塑料包層的大芯徑多模光纖制作，它具有簡單可靠、測量方便等優(yōu)點，然而由于參與傳感的模式數(shù)眾多，這使得吸收峰的半高寬較寬，并且靈敏度較低；單模光纖的表面等離子體共振傳感器性能相比多模光纖SPR傳感器有所提高，但是由于結(jié)構(gòu)過于簡單，模場呈臺階式分布，對倏逝場的調(diào)控不夠，靈敏度也相對較低。
[0003]光子晶體光纖是一種新型光纖，它具有很好的設(shè)計靈活性，可調(diào)節(jié)和控制光的傳輸模式和電磁場分布，從而實現(xiàn)比傳統(tǒng)光纖更好的傳輸特性，在通信、傳感等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。2006年Hassani等人提出了一種基于光子晶體的光纖表面等離子體共振傳感器，通過將傳感通道集成在光纖的包層中，可利用芯模直接在外環(huán)壁金屬膜表面上激發(fā)表面等離子體波，從而實現(xiàn)高靈敏度的檢測，但是這種傳感器設(shè)計要求在靠近纖芯的空氣孔內(nèi)表面鍍膜，因此傳感器的制備非常困難，而且這種設(shè)計缺少在中間環(huán)節(jié)中的內(nèi)孔薄膜成膜形態(tài)的檢查手段。2012年劉德明等人提出了一種基于全固態(tài)光子晶體光纖側(cè)拋的光纖表面等離子體共振傳感器設(shè)計，它采用普通玻璃光子晶體光纖制備，但是由于沒有充分利用光子晶體光纖對電磁場的調(diào)控作用，其靈敏度低。現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進和發(fā)展。
實用新型內(nèi)容
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種光纖傳感器，其目的在于提高傳感器的性能，且易于批量生產(chǎn)，由此解決現(xiàn)有技術(shù)由于沒有充分利用光子晶體光纖對電磁場的調(diào)控作用，而導(dǎo)致傳感器的性能不足的問題。
[0005]本實用新型提供了一種光纖傳感器，包括D形光子晶體光纖，所述D形光子晶體光纖的橫截面呈D形使得所述D形光子晶體光纖具有一平面，其所述平面附著有納米金屬傳感層。
[0006]更進一步地，所述D形光子晶體光纖上設(shè)置有中心氣孔和周圍氣孔，所述周圍氣孔在所述中心氣孔的周圍沿著軸向規(guī)則排列，所述周圍氣孔用于限制光場的外泄。
[0007]更進一步地，所述D形光子晶體光纖為空心光子晶體光纖，且所述空心光子晶體光纖的中心孔中填充有用于調(diào)控傳輸光的折射率和色散性的溶液。
[0008]更進一步地，所述溶液為甲醇和乙二醇的混合物。
[0009]更進一步地，所述D形光子晶體光纖也可為含氟塑料光子晶體光纖，所述含氟塑料光子晶體光纖的中心為實心且周圍設(shè)置有限制氣孔。
[0010]更進一步地，所述納米金屬傳感層為金屬平面膜、金屬納米粒子或金屬陣列微結(jié)構(gòu)。
[0011]更進一步地，所述金屬平面膜的厚度為20nm-80nm。
[0012]所述金屬膜可為不規(guī)則排列的納米粒子，或具有微陣列結(jié)構(gòu)的納米金屬附著物。
[0013]本實用新型還提供了一種光纖傳感器測量系統(tǒng)，包括:依次連接的光源、偏振控制器和聚焦透鏡，依次連接的檢偏器、探測器和信號處理單元，輸入端通過保偏光纖與所述聚焦透鏡的輸出端連接、且輸出端通過保偏光纖與所述檢偏器的輸入端連接的耦合器，以及與所述耦合器的控制端連接且設(shè)置于待測溶液中的光纖傳感器；工作時，光源發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器變成垂直于光纖傳感器側(cè)拋面的線偏振光，線偏振光經(jīng)過聚焦透鏡被聚焦并耦合到保偏光纖中，由保偏光纖作為傳輸通道將光信號經(jīng)由耦合器進入光纖傳感器中進行傳感，傳感后的光信號在終端上被反射后再次經(jīng)過傳感區(qū)，通過耦合器由保偏光纖傳輸至檢偏器過濾噪聲后進入探測器進行光電轉(zhuǎn)換，由信號處理單元進行信號解調(diào)，從而檢測得到金屬表面區(qū)域的折射率系數(shù)，并進一步獲得傳感器表面的待測信息。
[0014]本實用新型還提供了一種光纖傳感器測量系統(tǒng)，包括:依次連接的光源、偏振控制器、聚焦透鏡、第一保偏光纖、第一稱合器、光纖傳感器、第二稱合器、第二保偏光纖、檢偏器、探測器和信號處理單元；工作時，光源發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器變成垂直于光纖傳感器側(cè)拋面的線偏振光，線偏振光經(jīng)過聚焦透鏡被聚焦并耦合到第一保偏光纖中，由第一保偏光纖作為傳輸通道經(jīng)第一耦合器進入光纖傳感器中進行傳感，并通過第二耦合器耦合到連接檢偏器的第二保偏光纖中，由檢偏器過濾傳感和傳輸過程中引入的噪聲后進入探測器進行光電轉(zhuǎn)換，由信號處理單元進行信號解調(diào)，從而檢測得到金屬表面區(qū)域的折射率系數(shù)，并進一步獲得傳感器表面的待測信息。
[0015]本實用新型還可采用低折射氟化物塑料光纖為基底，加工成D形，并在D形光子晶體光纖的平面鍍納米金屬膜后形成光纖傳感器；這種基底光纖具有較低的折射率系數(shù)和一定的色散性，能夠調(diào)節(jié)控制光纖芯模的等效折射率，從而改變表面等離子體共振的共振點位置，提高了傳感器的性能；且結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、體積小，易于批量生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型實施例提供的光纖傳感器中D形光子晶體光纖的橫截面示意圖；(a)中光纖傳感器采用低折射率高色散材料的塑料或特種玻璃材料；(b)中光纖傳感器為全空氣孔光子晶體光纖，并在中心孔填充具有低折射率的液體后，其纖芯的等效折射率仍大于氣孔包層的等效折射率；(a)、(b)的工作模式為折射率引導(dǎo)型；(a)和(b)的設(shè)計可以調(diào)節(jié)光波矢，區(qū)別在于一個是材料屬性固定的，另一個通過改變填充溶液配比還可以再次調(diào)整共振點位置。
[0017]圖2是本實用新型實施例提供的D形光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器中填充折射率為1.39的液體時的共振圖像，用于說明通過調(diào)節(jié)波矢后對共振位置的影響，該效果同樣適用于基于含氟塑料光子晶體光纖的傳感器設(shè)計；(a)_ (e)為外部環(huán)境介質(zhì)折射率為1.32-1.36時表面等尚子體共振吸收光譜圖；(f)為外部環(huán)境介質(zhì)折射率與共振波長的對應(yīng)關(guān)系，可以看出傳感器在外部環(huán)境折射率[1.32-1.36]區(qū)間具有很好的線性關(guān)系。
[0018]圖3是本實用新型實施例提供的D形光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器由于發(fā)生表面等離子體共振引起的電場增強效應(yīng)，(a)為D形光子晶體光纖工作時橫截面上的電場密度分布；(b)為D形光子晶體光纖的電場密度沿A線的分布。
[0019]圖4是本實用新型實施例提供的D形光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器中填充不同折射率(1.46，1.44，1.42，1.40，1.39，1.38)的溶液后，傳感器芯模與表面等離子體模耦合共振的物理圖像；采用低折射材料的超材料制備成D形光纖表面等離子體共振傳感器用于檢測時具有相同的物理圖像。
[0020]圖5用于配置低折射率高色散的填充溶液的兩種材料的色散曲線，即乙二醇和甲醇。
[0021]圖6本實用新型實施例提供的終端反射式光纖表面等離子體共振傳感器。
[0022]圖7本實用新型實施例提供的在線傳輸式光纖表面等離子體共振傳感器。
【具體實施方式】
[0023]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0024]本實用新型實施例提供的D形光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器是一種光學(xué)傳感器，該傳感器靈敏度高，是一種切實可行的高性能的光纖表面等離子體共振傳感器，解決之前傳統(tǒng)傳感器在制備和性能上的缺陷；該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、使用方便、體積小，易于批量生產(chǎn)等特點。
[0025]在本實用新型實施例中，光纖傳感器是基于光子晶體光纖加工制備，并在D形光纖的平面鍍納米厚度的金屬膜組成。通過側(cè)面拋磨光子晶體光纖至一定深度，使得光纖形狀成D形，其倏逝場易于泄露出來并在金屬表面激發(fā)表面等離子體激元；光子晶體光纖的纖芯采用具有較低折射率和高色散性的材料或采用混合溶液填充光子晶體光纖的中心氣孔，以調(diào)節(jié)控制纖芯中光的傳輸，改變表面等離子體激發(fā)時的共振點位置，從而提高傳感器的靈敏度。
[0026]作為本實用新型的一個實施例，光子晶體光纖可采用具有低折射率高色散性的塑料或特種玻璃材料及摻雜工藝實現(xiàn)，其中低折射率相對于普通石英玻璃來說，即低于普通石英玻璃的折射率系數(shù)1.4457，推薦值為1.33-1.40，這種材料可以認(rèn)為是metamaterial，一般通過摻氟可以降低材料的折射率，高色散也是相對石英玻璃來說，要求阿貝(Abbe)數(shù)值小于20。這種塑料光纖可為含氟聚合物材料，如聚六氟異丙基-2-氟代丙烯酸酯(poly (hexafluoroisopropyl2-fluoroacrylate), PHFIP2-FA),其折射率遠遠低于普通玻璃材料的折射率，而且這種極性材料的塑料光纖色散強，具有較小的阿貝數(shù)值。
[0027]作為本實用新型的一個實施例，D形光子晶體光纖可采用空芯光子晶體光纖，并在中心孔選擇性填充溶液，通過選擇中心孔的溶液成分實現(xiàn)對纖芯中傳輸光的調(diào)控，使得芯模具有較低的折射率(1.33-1.40)和高色散性，其中，填充溶液可以為甲醇和乙二醇的混合物；這兩種材料的色散關(guān)系如圖5所示，其中甲醇溶液具有較低的折射率，而乙二醇具有較高的折射率，醇類溶液互溶性好，滿足調(diào)配需求；因為材料中含有豐富的極性O(shè)H根，溶液的色散性很強。當(dāng)然這種填充溶液還可以是其它溶液混合而成。
[0028]該光纖傳感器包括D形光子晶體光纖，所述D形光子晶體光纖的橫截面呈D形使得所述D形光子晶體光纖具有一平面，該平面附著有納米金屬傳感層。
[0029]在本實用新型實施例中，用于傳感的金屬結(jié)構(gòu)可以為具有高電導(dǎo)率的貴金屬薄膜，如通過物理蒸發(fā)制備的金、銀、鉬等，或者是金屬納米結(jié)構(gòu)粒子，如采用化學(xué)方法制備的納米顆粒，并涂敷在光纖表面；還可為具有微陣列結(jié)構(gòu)的表面金屬附著物，這種納米陣列結(jié)構(gòu)可通過電子束刻蝕制備，外加電磁場能夠在這種亞波長長度的金屬陣列結(jié)構(gòu)上激發(fā)局域表面等離子體波(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR),局域表面等離子體波也能引起強烈的電場增強效應(yīng)。島狀的納米顆粒或金屬陣列會對光子能量產(chǎn)生很強的共振吸收作用，共振吸收光譜的吸收波長取決于金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)特性，例如組成、形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸、局域傳導(dǎo)率。通過局域表面等離子體共振光譜可以實現(xiàn)高靈敏度的生化檢測。
[0030]在本實用新型實施例中，制備上述液芯光纖傳感器的方法具體包括:
[0031]通過側(cè)面拋磨工藝或激光微加工工藝，沿著軸向?qū)⒐庾泳w光纖加工成D形光子晶體光纖；
[0032]在光子晶體光纖的中心孔填充折射率調(diào)制液；
[0033]在D形光子晶體光纖的側(cè)拋面附著一層厚度為納米量級的金屬膜后形成所述光纖傳感器。
[0034]其中，可以先加工成D形光子晶體光纖，再在光子晶體光纖的中心孔中填充折射率調(diào)制液，也可以先填充折射率調(diào)制液后再加工成D形光子晶體光纖。該折射率調(diào)制液的折射率為1.33-1.40。
[0035]在本實用新型實施例中，制備實心光纖傳感器的方法具體包括:
[0036]采用低折射材料的含氟塑料光子晶體光纖為基底；
[0037]通過側(cè)面拋磨工藝或激光微加工工藝將基底加工成D形光子晶體光纖；
[0038]在D形光子晶體光纖的平面鍍一層厚度為納米量級的金屬膜后形成所述光纖傳感器。
[0039]本實用新型實施例中，光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器采用低折射材料或空心光子晶體光纖填充溶液為基底，加工成D形后，鍍納米金屬薄膜制備成光纖表面等離子體共振傳感器?；坠饫w可調(diào)節(jié)控制光纖芯模的等效折射率，從而改變表面等離子體共振的共振點位置，提高傳感器靈敏度等性能。
[0040]作為本實用新型的一個實施例，光子晶體光纖可采用具有低折射率高色散性的塑料或特種玻璃材料及摻雜工藝實現(xiàn)，塑料光纖可為含氟聚合物材料，如聚六氟異丙基-2-氟代丙烯酸酯(poly (hexaf luoroisopropyl2-fluoroacrylate), PHFIP2-FA),其折射率遠遠低于普通玻璃材料的折射率。
[0041]作為本實用新型的一個實施例，D形光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器可采用空芯光子晶體光纖，并在中心氣孔中填充溶液，使得芯模具有較低的折射率(1.33-1.40)和高色散性(阿貝數(shù)Vd〈20)，所述填充溶液可以為甲醇和乙二醇的混合物，通過改變中心孔填充溶液的比率實現(xiàn)對光纖傳感器中芯模的調(diào)節(jié)。
[0042]如上文所述，金屬膜可以為具有高電導(dǎo)率的貴金屬薄膜，如金、銀、鉬等，由于金的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是優(yōu)選對象，厚度為20-80納米；也可以是化學(xué)制備的貴金屬納米粒子，涂敷在側(cè)拋平面上；也可以采用電子束刻蝕方法，在側(cè)拋面上制備納米金屬陣列。
[0043]在本實用新型實施例中，光子晶體光纖為側(cè)面拋除的D形光纖，可采用機械拋除或激光微加工實現(xiàn)，加工后的光纖在拋除側(cè)保留一排氣孔以約束光的傳播，同時有利于倏逝場的泄露和表面等離子體波的激發(fā)。光子晶體光纖上設(shè)置有中心氣孔和周圍氣孔，所述周圍氣孔在中心氣孔周圍沿著軸向規(guī)則排列，周圍氣孔可為不規(guī)則形狀或呈現(xiàn)不同形態(tài)的分布。其中，不同形態(tài)是指周圍氣孔可以是圓孔、三角形氣孔或橢圓氣孔等，可以比較聚集也可以大小不同。在本實用新型實施例中，只要求用氣孔限制住光場的外泄就可以。
[0044]為了更進一步的說明本實用新型實施例提供的光纖傳感器，現(xiàn)結(jié)合附圖詳述如下:
[0045]圖1示出了本實用新型實施例提供的D形光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器截面示意圖。圖1中(a)采用低折射率高色散材料的塑料或特種玻璃材料；(b)為全空氣孔光子晶體光纖，并在中心孔填充具有低折射率的液體后，其纖芯的等效折射率仍大于氣孔包層的等效折射率，；(a)、(b)工作模式為折射率引導(dǎo)型。
[0046]其中，低折射率、高色散液體可為甲醇和乙二醇的混合溶液，可通過溶液的配比調(diào)節(jié)光纖芯模的等效折射率。纖芯周圍沿著軸向規(guī)則排列微小氣孔。沿著所述軸向側(cè)拋光纖，側(cè)拋后保留第一層包層氣孔。在側(cè)拋平面沉積納米級的金屬膜，薄膜厚度小于IOOnm即可，優(yōu)選為20nm-80nm。由于采用了側(cè)拋等加工后，光纖中傳播的芯模容易泄露到外表面，其倏逝波的電場分量會引起上表面金屬膜中的自由電子振蕩；在特定的界面布局下，該布局支持的表面等離子體傳播模式應(yīng)滿足麥克斯韋方程組，即該條件下的表面等離子體模。其當(dāng)D形光子晶體光纖傳導(dǎo)模的波矢與表面等離子體模的波矢相等時，此時倏逝波激發(fā)的自由電子振蕩滿足表面等離子體模式，產(chǎn)生強烈的共振，使得倏逝波的能量轉(zhuǎn)移形成表面等離子體波，該共振的數(shù)學(xué)表示為傳導(dǎo)模的有效折射率實部與表面等離子體模的有效折射率實部相等。當(dāng)環(huán)境介質(zhì)折射率的改變，即界面的布局發(fā)生改變，其表面等離子體共振頻率(或共振波長)也隨之發(fā)生變化，共振頻率變化越大，其靈敏度越高。通過測量表面等離子體共振時的共振頻率變化就可以研究金屬膜表面上的質(zhì)量負(fù)載，并應(yīng)用于生化傳感中的免疫結(jié)合過程檢測。
[0047]在本實用新型實施例中，通過改變光子晶體光纖的制備材料或者在光子晶體光纖的中心氣孔填充溶液,可以控制光纖傳感器中芯模的傳輸狀態(tài),從而有利于提高傳感器的性能。由于填充溶液直接有效，也更容易實現(xiàn)，以下我們將以在空心光子晶體光纖的中心氣孔填充溶液來說明。
[0048]圖2為在空氣芯光子晶體光纖中心氣孔填充無色散低折射率液體(RI=L 39)時傳感器的共振圖像，(a)- (e)分別為外部環(huán)境介質(zhì)折射率變化為1.32-1.36的共振圖像；(f)為外部環(huán)境介質(zhì)折射率與共振波長的對應(yīng)關(guān)系；圖中線SI表示所述光纖傳感器等離子體模有效折射率的實部，線S2表示所述芯模有效折射率的實部，在線SI與線S2的交點位置光纖傳感器的表面等離子體模與芯模的相位匹配，光纖中泄露的倏逝波在金屬膜內(nèi)激發(fā)表面等離子體激元，產(chǎn)生強烈共振。線S3表示所述光纖傳感器芯模有效折射率的虛部，該數(shù)值也正比于傳感器的損耗。當(dāng)環(huán)境介質(zhì)發(fā)生改變時，共振頻率發(fā)生改變，即線SI與線S2的交點位置改變。所述光纖表面等離子體共振傳感器就是通過共振頻率的改變來檢測外部環(huán)境的折射率變化，進而獲得金屬表面的質(zhì)量負(fù)載變化，并研究生物化學(xué)反應(yīng)的相互作用過程。
[0049]如圖3所示，發(fā)生表面等離子體共振時，光纖傳感器芯模的能量泄露到金屬層中，激發(fā)金屬膜中的自由電子產(chǎn)生集體振蕩，形成表面等離子體共振現(xiàn)象，并在共振界面上產(chǎn)生顯著的電場增強。圖3中圖(a)為截面示意圖，線A為示意線；圖(13)表示電場密度在示意線上的分布，通常情況下電場的分布從中心位置向外逐步降低，可以看出由于發(fā)生共振，在金屬膜高度位置出現(xiàn)一個非常銳利的電場峰，這就是由于發(fā)生表面等離子體共振而引起的電場增強效應(yīng)。
[0050]在本實用新型實施例中，通過填充溶液調(diào)整芯模區(qū)域的波矢長度，可以改變共振點位置，也即共振頻率發(fā)生變化，并進一步擴大不同環(huán)境折射率下的共振波長的差值，從而實現(xiàn)表面等離子體共振傳感器性能的提高。圖4表示在空氣芯光子晶體光纖中心氣孔填充不同溶液后，所述共振點在共振圖像上的直觀表示，圓點連線S4和菱形點連線S5分別表示環(huán)境介質(zhì)折射率為1.33和1.34時的表面等離子體模?？梢钥闯?，隨著填充液體的折射率降低，纖芯傳導(dǎo)模有效折射率降低，圖中用不同標(biāo)記點的黑線L1、L2、L3、L4、L5和L6表示，其與線S4、線S5的交點逐漸下移，同時兩交點之間的波長差值顯著增加，因此填充較低折射率的液體后所述傳感器的靈敏度顯著提高，大大超過了纖芯為石英玻璃材料(普通光纖材料的折射率系數(shù)為1.4457)時的靈敏度。
[0051]如圖4中線S6所示，當(dāng)溶液為高色散液體時，其靈敏度計算使用兩個不同的芯模折射率與線S4和線S5的交點，也即圖中兩個黑點，傳感器的性能將進一步得到提高。而采用帶有極性基團的溶液，如甲醇和乙二醇，可以很容易獲得高的色散性能，甲醇和乙二醇的阿貝爾數(shù)分別為13.66和12.86，而普通光纖的材料通常采用低色散玻璃適應(yīng)信號通訊需求，因此其色散性很弱，其阿貝數(shù)約為68。通過調(diào)整芯模的斜率，可獲得更大的共振波長的移動，如圖4中的線S6所示，相比于原來無色散時的兩交點位置，采用高色散混合溶液使得芯模的等效折射率線斜率增大，并進一步加大共振波長的差值，從而大大提高傳感器的靈敏度。
[0052]本實用新型還提供了一種D形光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器測量系統(tǒng)，其中，該測量系統(tǒng)包括:光源、偏振控制器、聚焦透鏡、保偏光纖、耦合器、光纖傳感器、檢偏器、探測器和信號處理單元；系統(tǒng)各個組件如圖6或圖7所示依次連接；測量系統(tǒng)可采用前向傳輸式布局(如圖6所示)或端面反射式布局(如圖7所示)。
[0053]圖6中，光源發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器變成垂直于側(cè)拋面的線偏振光，偏振光經(jīng)過聚焦透鏡被聚焦并耦合到保偏光纖中，由保偏光纖作為傳輸通道將光信號經(jīng)由耦合器進入光纖傳感器中進行傳感，傳感后的光信號在終端上被反射后再次經(jīng)過傳感區(qū)，通過耦合器由保偏光纖傳輸至檢偏器過濾噪聲后進入探測器進行光電轉(zhuǎn)換，由信號處理單元進行信號解調(diào)，從而檢測得到金屬表面區(qū)域的折射率系數(shù)，并進一步獲得傳感器表面的待測信息。
[0054]圖7中，光源發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器變成垂直于側(cè)拋面的線偏振光，線偏振光經(jīng)過聚焦透鏡被聚焦并耦合到第一保偏光纖中，由第一保偏光纖作為傳輸通道經(jīng)第一耦合器進入光纖傳感器中進行傳感，并通過第二耦合器耦合到連接檢偏器的第二保偏光纖中，由檢偏器過濾傳感和傳輸過程中引入的噪聲后進入探測器進行光電轉(zhuǎn)換，由信號處理單元進行信號解調(diào)，從而檢測得到金屬表面區(qū)域的折射率系數(shù)，并進一步獲得傳感器表面的待測信息。
[0055]在本實用新型實施例中，在D形光纖表面等離子體傳感器中，由于只有垂直于金屬膜表面的電場分量才能驅(qū)動自由電子振蕩，因此引入偏振控制器并采用保偏光纖連接有利于控制和保持傳導(dǎo)光的偏振態(tài)，消除S偏振光的本底效應(yīng)。終端反射式傳感器在傳感器的一端鍍上全反射膜，反射膜采用金膜，其厚度大于300nm。作為本實用新型的一個實施例，光源可以為寬帶白光光源。偏振光控制器控制參與傳感的光為電場矢量垂直于側(cè)拋平面的光分量，也即P偏振光。采用保偏光纖以保持光在傳輸過程中的偏振態(tài)。聚焦透鏡控制P偏振光聚焦入射到光纖中。光源發(fā)出寬帶白光，通過偏振控制器輸出P偏振光，經(jīng)聚焦透鏡耦合到傳導(dǎo)光纖中，再經(jīng)耦合器進入D形光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器進行探測。在圖6中終端反射式的結(jié)構(gòu)中，受到外界調(diào)制的光到達鍍有反射鏡的端面后發(fā)生發(fā)射，再次經(jīng)過傳感區(qū)并經(jīng)耦合器進入探測器，最后由信號處理單元對信號進行處理；在圖7在線傳輸式的結(jié)構(gòu)中，受到調(diào)制的光直接耦合到探測器。
[0056]在本實用新型實施例中，偏振控制器控制參與傳感的光為電場分量垂直于側(cè)拋面的光；通過偏振控制器和檢偏器可以保證只有P偏振的光參與傳感，而采用保偏光纖則可以保持光在傳輸中的偏振態(tài)，信號處理單元可以協(xié)助處理光信號的偏振分量，通過這些組件可顯著提高傳感器的信噪比。D形光子晶體光纖表面等離子體傳感器測量系統(tǒng)的信號處理過程分為兩步，第一步，用D形光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器測量系統(tǒng)分別測量背景信號、參考信號及待測溶液信號的強度，第二步，將待測溶液信號減去背景信號的強度與參考信號減去背景信號的強度的比值作為折射率或生物、化學(xué)分子測量參量。
[0057]在本實用新型實施例中，D形光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器具有外部平面，因此不僅制備金屬傳感層和生化傳感的功能薄膜非常方便簡單，而且薄膜的性質(zhì)和狀態(tài)都可以監(jiān)測，從而確保傳感器的可靠性。從圖4中可以看出，通過控制芯模的波矢長度，能夠改變表面等離子體共振的共振點，而且相比于傳統(tǒng)的石英玻璃纖芯，這種設(shè)計大大提高了傳感器的靈敏度，從而實現(xiàn)高精度的折射率測量，并可應(yīng)用于生物化學(xué)、免疫檢測等傳感應(yīng)用。
[0058]應(yīng)當(dāng)理解的是，本實用新型的應(yīng)用不限于上述的舉例，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，將低折射率高色散材料的D形光子晶體光纖用于折射率和生物、化學(xué)分子的測量，以及根據(jù)上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本實用新型所附權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種光纖傳感器，其特征在于，包括D形光子晶體光纖，所述D形光子晶體光纖的橫截面呈D形使得所述D形光子晶體光纖具有一平面，其所述平面附著有納米金屬傳感層。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，所述D形光子晶體光纖上設(shè)置有中心氣孔和周圍氣孔，所述周圍氣孔在所述中心氣孔的周圍沿著軸向規(guī)則排列，所述周圍氣孔用于限制光場的外泄。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光纖傳感器，其特征在于，所述D形光子晶體光纖為空心光子晶體光纖，且所述空心光子晶體光纖的中心孔中填充有用于調(diào)控傳輸光的折射率和色散性的溶液。
4.如權(quán)利要求3所述的光纖傳感器，其特征在于，所述溶液為甲醇和乙二醇的混合物。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，所述D形光子晶體光纖為含氟塑料光子晶體光纖，所述含氟塑料光子晶體光纖的中心為實心且周圍設(shè)置有限制氣孔。
6.如權(quán)利要求1-5任一項所述的光纖傳感器，其特征在于，所述納米金屬傳感層為金屬平面膜、金屬納米粒子或金屬陣列微結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的所述光纖傳感器，其特征在于，所述金屬平面膜的厚度為20nm_80nmo
8.一種光纖傳感器測量系統(tǒng)，其特征在于，包括:依次連接的光源、偏振控制器和聚焦透鏡，依次連接的檢偏器、探測器和信號處理單元，輸入端通過保偏光纖與所述聚焦透鏡的輸出端連接、且輸出端通過保偏光纖與所述檢偏器的輸入端連接的耦合器，以及與所述耦合器的控制端連接且設(shè)置于待測溶液中的光纖傳感器； 工作時，光源發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器變成垂直于光纖傳感器側(cè)拋面的線偏振光，線偏振光經(jīng)過聚焦透鏡被聚焦并耦合到保偏光纖中，由保偏光纖作為傳輸通道將光信號經(jīng)耦合器傳輸?shù)焦饫w傳感器中進行傳感，傳感后的光信號在終端上被反射后再次經(jīng)過傳感區(qū)，通過耦合器由保偏光纖傳輸至檢偏器過濾噪聲后進入探測器進行光電轉(zhuǎn)換，由信號處理單元進行信號解調(diào)，從而檢測得到金屬表面區(qū)域的折射率系數(shù)，并進一步獲得傳感器表面的待測信息。
9.一種光纖傳感器測量系統(tǒng)，其特征在于，包括:依次連接的光源、偏振控制器、聚焦透鏡、第一保偏光纖、第一稱合器、光纖傳感器、第二稱合器、第二保偏光纖、檢偏器、探測器和信號處理單元； 工作時，光源發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器變成垂直于光纖傳感器側(cè)拋面的線偏振光，線偏振光經(jīng)過聚焦透鏡被聚焦并耦合到第一保偏光纖中，由第一保偏光纖作為傳輸通道經(jīng)第一耦合器進入光纖傳感器中進行傳感，并由第二耦合器耦合到連接檢偏器的第二保偏光纖中，經(jīng)檢偏器過濾傳感和傳輸過程中引入的噪聲后進入探測器進行光電轉(zhuǎn)換，由信號處理單元進行信號解調(diào)，從而檢測得到金屬表面區(qū)域的折射率系數(shù)，并進一步獲得傳感器表面的待測信息。
【文檔編號】G01N21/552GK203479701SQ201320459638
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月30日
【發(fā)明者】譚志新, 李學(xué)金, 陳郁芝 申請人:深圳大學(xué)