一種多通道表面等離子體共振光纖傳感探針及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種多通道表面等離子體共振光纖傳感探針及測量方法。包括偏雙芯光纖、單模光纖和多模光纖，偏雙芯光纖與單模光纖焊接，偏雙芯光纖的第一纖芯與單模光纖的纖芯對準，單模光纖一端研磨出角度為α的斜面形成第二包層傳感區(qū)和纖芯傳感區(qū)，單模光纖的包層表面作為第一包層傳感區(qū)，多模光纖經(jīng)過研磨形成角度為β的斜面，單模光纖的研磨成斜面的一端與多模光纖的研磨成斜面的一端焊接，在第一包層傳感區(qū)、第二包層傳感區(qū)和纖芯傳感區(qū)上均鍍有傳感膜。本發(fā)明結(jié)合波分復用和時分復用技術(shù)，增加了傳感通道，實現(xiàn)了多物質(zhì)的檢測。
【專利說明】
一種多通道表面等離子體共振光纖傳感探針及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及的是一種光纖傳感器，特別是一種主要用于溶液折射率、溶液濃度等傳感測量的多通道SPR光纖傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是光在全反射過程中和分界面處的導電介質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象。在全反射過程中產(chǎn)生的消逝波會引起界面處金屬表面自由電子的振蕩產(chǎn)生表面等離子體波，當消逝波的頻率與表面等離子體波的頻率相等時，將會發(fā)生共振現(xiàn)象，導致光場強度急劇減弱，使得光譜在此頻率處出現(xiàn)塌縮形成SPR共振谷，該共振谷對應的光波長為共振波長。SPR共振波長對金屬表面附近的折射率非常敏感，通過測量折射率可以研究物質(zhì)的多種性質(zhì)。
[0003]傳統(tǒng)棱鏡式的多通道SPR傳感器在棱鏡上制作多個傳感區(qū)，在不同傳感區(qū)之間切換檢測可以實現(xiàn)多通道SPR傳感，目前為止，傳統(tǒng)棱鏡式的SPR傳感器技術(shù)已經(jīng)相當成熟并已經(jīng)投入醫(yī)學器械使用，但是由于其體積龐大，成本極高，因此不易推廣。
[0004]光纖SPR傳感器巧妙的將傳統(tǒng)的棱鏡結(jié)構(gòu)結(jié)合到光纖上，大大的縮小了傳感器的尺寸，減小了成本。但是傳統(tǒng)的光纖SPR傳感器只能對單一的分析物進行測量，不能滿足多種物質(zhì)同時測量的需要。一種利用不同的傳感膜實現(xiàn)了分布式SPR光纖傳感器(Peng W，Banerji SjKim Y C，et al.1nvestigat1n of dual-channel fiber-optic surfaceplasmon resonance sensing for b1logical applicat1ns[J].0ptics letters，2005，30(22):2988-2990)，可以同時測量兩種液體的折射率，但由于兩個共振波長間隔太小相互之間會有影響，因此對所測液體的折射率有較嚴格的要求。
【申請人】于2015年提出的名稱為“一種雙通道分布式傳感檢測裝置”的發(fā)明專利中(專利申請?zhí)枮?201510312470.6)，利用在微納光纖上鍍上周期性的金膜和銀膜來實現(xiàn)雙通道分布式傳感，但存在微納光纖不牢固，鍍膜困難的缺點，且對光纖尺寸的精度要求很高。
[0005]由于光纖尺寸較小，因此多通道SPR光纖傳感器通常采用波分復用技術(shù)，將不同傳感區(qū)的共振波長調(diào)節(jié)到不同的范圍來實現(xiàn)對不同物質(zhì)的檢測，這種方法由于光源波段有限，因此最多只能同時檢測兩種物質(zhì)的折射率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)單種物質(zhì)或多種物質(zhì)檢測的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針。本發(fā)明的目的還在于提供一種利用多通道表面等離子體共振光纖傳感探針的測量方法。
[0007]本發(fā)明的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針包括偏雙芯光纖1、單模光纖2和多模光纖3，偏雙芯光纖與單模光纖焊接，偏雙芯光纖的第一纖芯1-1與單模光纖的纖芯對準，單模光纖一端研磨出角度為α的斜面形成第二包層傳感區(qū)2-2和纖芯傳感區(qū)2-3，單模光纖的包層表面作為第一包層傳感區(qū)2-1，多模光纖3經(jīng)過研磨形成角度為β的斜面3-1，單模光纖的研磨成斜面的一端與多模光纖的研磨成斜面的一端焊接，在第一包層傳感區(qū)2-1、第二包層傳感區(qū)2-2和纖芯傳感區(qū)2-3上均鍍有傳感膜。
[0008]本發(fā)明的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針還可以包括:
[0009]1、偏雙芯光纖第一纖芯位于包層的中心，第二纖芯與第一纖芯的間距d大于單模光纖的纖芯半徑。
[0010]2、單模光纖研磨出的斜面的研磨角度α與多模光纖研磨的斜面的研磨角度β相等，為 12。至 17。ο
[0011]3、多模光纖為階躍折射率多模光纖，其纖芯直徑等于或者大于單模光纖的包層直徑。
[0012]4、所述的傳感膜是金膜或者銀膜，厚度為35?55nm。
[0013]5、單模光纖的長度為I?2cm。
[0014]6、單模光纖與多模光纖焊接后，單模光纖上的斜面與多模光纖上的斜面平行。
[0015]利用本發(fā)明的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針的測量方法為用于測量溶液的折射率，具體包括以下步驟:
[0016](I)、多通道表面等離子體共振光纖傳感探針的兩端剝除涂覆層20?30mm，將兩端面切割平整；
[0017](2)、使用光譜范圍覆蓋450?1200nm的超連續(xù)譜光源，將光耦合到偏雙芯光纖I的第二纖芯1-2中；
[0018](3)、將多模光纖3連接至光譜儀，并調(diào)整光譜儀的檢測波長范圍為450?1200nm;
[0019](4)、用光譜儀采集一組該多通道表面等離子體共振光纖傳感探針放置在空氣中時的光譜作為參考光譜；
[0020](5)、將單模光纖2放置在需要測量的液體中，用光譜儀采集光譜，并與步驟4中的參考光譜做差，由于包層光通路的光在第一包層傳感區(qū)2-1和第二包層傳感區(qū)2-2先后發(fā)生表面等離子體共振，做差后的光譜中在某兩個波長處光強明顯減弱，即表面等離子體共振波長，其中，短波長為第一包層傳感區(qū)2-1的共振波長，長波長為第二包層傳感區(qū)2-2的共振波長；
[0021](6)、通過多通道表面等離子體共振光纖傳感探針的標定曲線，由共振波長得到所測溶液的折射率。
[0022]本發(fā)明將時分復用技術(shù)和波分復用技術(shù)相結(jié)合，有效地利用單模光纖的纖芯和包層實現(xiàn)了多種物質(zhì)的檢測。偏雙芯光纖的第一纖芯1-1通光時，光沿著單模光纖的纖芯傳輸并在纖芯傳感區(qū)2-3發(fā)生SPR，然后全反射到斜面3-1被多模光纖3收集;偏雙芯光纖的第二纖芯1-2通光時，光沿著單模光纖的包層以高階模的形態(tài)傳輸，先在第一包層傳感區(qū)2-1發(fā)生SPR，再到達單模光纖的斜面并在第二包層傳感區(qū)2-2發(fā)生SPR，兩次SPR的共振波長差異顯著因此實現(xiàn)波分復用的多通道傳感;在不同時刻對偏雙芯光纖的第一纖芯1-1和第二纖芯1-2注光實現(xiàn)時分復用的多通道傳感。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0024]1、利用廉價的單模光纖作為載體光纖，用纖芯和包層實現(xiàn)多通道SPR傳感。
[0025]2、單模光纖的纖芯光通路獨立工作時可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的單級SPR傳感，包層光通路獨立工作時利用波分復用技術(shù)實現(xiàn)多通道SPR傳感，通過時分復用技術(shù)使兩個光通路間歇工作可以實現(xiàn)對三種待測物的檢測。
[0026]3、纖芯傳感區(qū)可以作為參考通道，用來消除溫度、雜質(zhì)以及其他系統(tǒng)因素對傳感探針的影響，提尚檢測精度。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的多通道SPR光纖傳感探針的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為偏雙芯光纖I的截面圖。
[0029]圖3為經(jīng)過研磨的單模光纖2的剖面圖。
[0030]圖4為當偏雙芯光纖I的第一纖芯1-1通光時的光路軌跡圖。
[0031]圖5為當偏雙芯光纖I的第二纖芯1-2通光時的光路軌跡圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明進行更為詳細的論述:
[0033]結(jié)合圖1，本發(fā)明的多通道SPR光纖傳感探針包括偏雙芯光纖1、單模光纖2和多模光纖3。偏雙芯光纖與單模光纖焊接，并使偏雙芯光纖的第一纖芯1-1對準單模光纖的纖芯；單模光纖一端研磨出角度為α的斜面形成第二包層傳感區(qū)2-2和纖芯傳感區(qū)2-3，單模光纖的包層表面作為第一包層傳感區(qū)2-1;多模光纖3經(jīng)過研磨形成角度為β的斜面3-1，并將研磨成斜面的單模光纖端和多模光纖端焊接，使光能夠被全部收集;在第一包層傳感區(qū)2-1、第二包層傳感區(qū)2-2和纖芯傳感區(qū)2-3上均鍍有傳感膜;偏雙芯光纖的第一纖芯1-1通光時，光沿著單模光纖的纖芯傳輸并在纖芯傳感區(qū)2-3發(fā)生SPR，然后全反射到斜面3-1被多模光纖3收集;偏雙芯光纖的第二纖芯1-2通光時，光沿著單模光纖的包層以高階模的形態(tài)傳輸，先在第一包層傳感區(qū)2-1發(fā)生SPR，再到達單模光纖的斜面并在第二包層傳感區(qū)2-2發(fā)生SPR，兩次SPR的共振波長差異顯著因此實現(xiàn)波分復用的多通道傳感;在不同時刻對偏雙芯光纖的第一纖芯1-1和第二纖芯1-2注光實現(xiàn)時分復用的多通道傳感。
[0034]偏雙芯光纖I的第一纖芯1-1和第二纖芯1-2，其間距d大于單模光纖2的纖芯半徑。
[0035]單模光纖2的長度選擇為I?2cm。
[0036]多模光纖3可以是階躍折射率多模光纖，其纖芯直徑等于或者大于單模光纖的包層直徑，可以把光全部收集。
[0037]單模光纖2的研磨斜面和多模光纖3的研磨斜面3-1有相同的研磨角度，α= β，且12° <α<17°，研磨角度的大小影響檢測范圍和靈敏度。
[0038]傳感膜可以是金膜或者銀膜，厚度為35?55nm。
[0039]本發(fā)明的多通道SPR光纖傳感探針，可以采用如下制作方法制作:
[0040]1、取一段偏雙芯光纖I，在光纖的一端，剝除光纖的涂覆層20?30mm，使用無紡布蘸取酒精和乙醚混合液，反復擦拭光纖外包層，直至清潔后備用。
[0041 ] 2、用光纖切割刀將清潔后的偏雙芯光纖端面切割平整。
[0042]3、另外取一段單模光纖2，長度約為5cm，剝除光纖的涂覆層，使用無紡布蘸取酒精和乙醚混合液，反復擦拭光纖外包層，直至清潔后備用。
[0043]4、用光纖切割刀將清潔后的單模光纖端面切割平整。
[0044]5、使用光纖焊接機將偏雙芯光纖I和單模光纖2進行焊接，使偏雙芯光纖的第一纖芯1-1與單模光纖的纖芯正對。
[0045]6、使用光纖切割刀，將焊接后的光纖切割使單模光纖(2)的長度約為2cm。
[0046]7、使用光纖研磨機，對步驟6中焊接在偏雙芯光纖I上的單模光纖2進行研磨，形成角度為α的斜面，12° <α〈17°，研磨深度剛好超過單模光纖的纖芯。
[0047]8、取一段纖芯直徑大于125u的階躍折射率多模光纖3，在一端剝除涂覆層并切割平整，使用光纖研磨機研磨出斜面3-1，其角度和深度與步驟7中的單模光纖斜面一致。
[0048]9、使用光纖焊接機，將經(jīng)過研磨的單模光纖2—端和經(jīng)過研磨過的多模光纖3—端進行焊接，使兩個斜面平行，調(diào)整焊接電流和焊接時間使光纖在焊接時不變形。
[0049]10、使用等離子清洗機，對光纖焊接點及附近進行清潔。
[0050]11、利用離子濺射真空鍍膜技術(shù)，在單模光纖2的包層表面和經(jīng)過研磨形成的斜面鍍上50nm金膜。
[0051]利用此多通道SPR光纖傳感探針的包層光通路實現(xiàn)對液體折射率的測量。具體步驟如下:
[0052]1、取一個制作完成的多通道SPR光纖傳感探針，兩端剝除涂覆層20?30mm，用無紡布蘸取酒精和乙醚混合液，反復擦拭光纖外包層，直至清潔，并用光纖切割刀將兩端面切割平整。
[0053]2、使用光譜范圍覆蓋450?1200nm的超連續(xù)譜光源，將光耦合到偏雙芯光纖I的第二纖芯1-2中。
[0054]3、將多模光纖3連接至光譜儀，并調(diào)整光譜儀的檢測波長范圍為450?1200nm。
[0055]4、用光譜儀采集一組該光纖傳感探針放置在空氣中時的光譜作為參考光譜。
[0056]5、將傳感探針中的單模光纖2放置在需要測量的液體中，用光譜儀采集此光譜，并與步驟4中的參考光譜做差，由于包層光通路的光在第一包層傳感區(qū)2-1和第二包層傳感區(qū)2-2先后發(fā)生SPR，因此做差后的光譜中在某兩個波長處光強明顯的減弱，S卩SPR共振波長，其中，短波長為第一包層傳感區(qū)2-1的共振波長，長波長為第二包層傳感區(qū)2-2的共振波長。
[0057]6、通過該傳感探針的標定曲線，就可以由共振波長得到所測溶液的折射率。
[0058]利用此多通道SPR光纖傳感探針的纖芯光通路實現(xiàn)對液體折射率的測量。具體步驟如下:
[0059]與包層光通路的測量步驟相似，將超連續(xù)譜光源的光耦合到偏雙芯光纖I的第一纖芯1-1中，經(jīng)過單模光纖的纖芯傳輸并在纖芯傳感區(qū)2-3發(fā)生SPR，用光譜儀處理即可以得到該傳感區(qū)的共振波長，再由標定曲線即可以得到纖芯傳感區(qū)2-3附近的液體折射率。另夕卜，可以用纖芯傳感區(qū)2-3標定溫度對SPR傳感的影響，因此來提高第一包層傳感區(qū)2-1和第二包層傳感區(qū)2-2的檢測精度。
【主權(quán)項】
1.一種多通道表面等離子體共振光纖傳感探針，包括偏雙芯光纖(I)、單模光纖(2)和多模光纖(3)，其特征是:偏雙芯光纖與單模光纖焊接，偏雙芯光纖的第一纖芯(1-1)與單模光纖的纖芯對準，單模光纖一端研磨出角度為α的斜面形成第二包層傳感區(qū)(2-2)和纖芯傳感區(qū)(2-3)，單模光纖的包層表面作為第一包層傳感區(qū)(2-1)，多模光纖(3)經(jīng)過研磨形成角度為β的斜面(3-1)，單模光纖的研磨成斜面的一端與多模光纖的研磨成斜面的一端焊接，在第一包層傳感區(qū)(2-1)、第二包層傳感區(qū)(2-2)和纖芯傳感區(qū)(2-3)上均鍍有傳感膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針，其特征是:偏雙芯光纖第一纖芯位于包層的中心，第二纖芯與第一纖芯的間距d大于單模光纖的纖芯半徑。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針，其特征是:單模光纖研磨出的斜面的研磨角度α與多模光纖研磨的斜面的研磨角度β相等，為12°至17°。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針，其特征是:多模光纖為階躍折射率多模光纖，其纖芯直徑等于或者大于單模光纖的包層直徑。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針，其特征是:所述的傳感膜是金膜或者銀膜，厚度為35?55nm。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針，其特征是:單模光纖的長度為I?2cm。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針，其特征是:單模光纖與多模光纖焊接后，單模光纖上的斜面與多模光纖上的斜面平行。8.—種用權(quán)利要求1所述的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針的測量方法，其特征是: (I )、多通道表面等離子體共振光纖傳感探針的兩端剝除涂覆層20?30mm，將兩端面切割平整； (2)、使用光譜范圍覆蓋450?1200nm的超連續(xù)譜光源，將光耦合到偏雙芯光纖(I)的第二纖芯(1-2)中； (3)、將多模光纖(3)連接至光譜儀，并調(diào)整光譜儀的檢測波長范圍為450?1200nm; (4)、用光譜儀采集一組該多通道表面等離子體共振光纖傳感探針放置在空氣中時的光譜作為參考光譜； (5)、將單模光纖(2)放置在需要測量的液體中，用光譜儀采集光譜，并與步驟(4)中的參考光譜做差，由于包層光通路的光在第一包層傳感區(qū)(2-1)和第二包層傳感區(qū)(2-2)先后發(fā)生表面等離子體共振，做差后的光譜中在某兩個波長處光強明顯減弱，即表面等離子體共振波長，其中，短波長為第一包層傳感區(qū)(2-1)的共振波長，長波長為第二包層傳感區(qū)(2-2)的共振波長； (6)、通過多通道表面等離子體共振光纖傳感探針的標定曲線，由共振波長得到所測溶液的折射率。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用多通道表面等離子體共振光纖傳感探針的測量方法，其特征是:用纖芯傳感區(qū)(2-3)標定溫度對表面等離子體共振傳感的影響。10.—種用權(quán)利要求1所述的多通道表面等離子體共振光纖傳感探針的測量方法，其特征是: (I )、多通道表面等離子體共振光纖傳感探針的兩端剝除涂覆層20?30mm，將兩端面切割平整； (2)、使用光譜范圍覆蓋450?1200nm的超連續(xù)譜光源，將超連續(xù)譜光源的光耦合到偏雙芯光纖(I)的第一纖芯(1-1)中； (3)、將多模光纖(3)連接至光譜儀，并調(diào)整光譜儀的檢測波長范圍為450?1200nm; (4)、用光譜儀采集一組該多通道表面等離子體共振光纖傳感探針放置在空氣中時的光譜作為參考光譜； (5)、將單模光纖(2)放置在需要測量的液體中，用光譜儀采集光譜，并與步驟(4)中的參考光譜做差，經(jīng)過單模光纖的纖芯的光在纖芯傳感區(qū)(2-3)發(fā)生表面等離子體共振，用光譜儀處理得到纖芯傳感區(qū)(2-3)的共振波長； (6)、通過多通道表面等離子體共振光纖傳感探針的標定曲線，再由標定曲線得到纖芯傳感區(qū)(2-3)附近的液體折射率。
【文檔編號】G01N21/552GK106066312SQ201610352280
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月25日 公開號201610352280.1, CN 106066312 A, CN 106066312A, CN 201610352280, CN-A-106066312, CN106066312 A, CN106066312A, CN201610352280, CN201610352280.1
【發(fā)明人】劉志海, 劉璐, 魏勇, 張羽, 張亞勛, 趙恩銘, 苑立波
【申請人】哈爾濱工程大學