專利名稱：高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型spr傳感器及其傳感檢測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器及其傳感檢測系統(tǒng)，能夠測量液體折射率，可應用于生物、醫(yī)學和化工領域。
背景技術：
表面等離子體共振效應(Surface Plasmon Resonance)是存在于金屬與非導電介質(zhì)界面處的物理光學現(xiàn)象，可利用它實現(xiàn)對金屬層和介質(zhì)層屬性微小變化的測量?；赟PR效應的光學傳感技術已在生化檢測等多個領域得到應用。傳統(tǒng)的光纖SPR傳感器是基于纖芯-金膜-環(huán)境介質(zhì)三層結構，由于SPR效應其反射光譜會形成一個凹谷。隨著被測環(huán)境介質(zhì)折射率的增加，波形向長波方向偏移，共振波谷位置與折射率存在一定對應關系，所以可通過測量共振波谷的位置得到環(huán)境介質(zhì)的折射率。該方法具有傳輸損耗小、體積小、集成性好等優(yōu)點，但是存在靈敏度不高的缺點。為提高傳感器靈敏度，中國科技大學的陳勇等人研究了以MgF2為外調(diào)制層的光纖表面等離子體共振傳感器。采用纖芯-銀膜-調(diào)制層-環(huán)境介質(zhì)四層結構，其中纖芯數(shù)值孔徑為O. 37，直徑為O. 2mm，銀膜厚度為40nm，調(diào)制層使用氟化鎂，厚度為10nm，折射率為1.377。在分析物的折射率范圍為1.33-1.40時，實驗中取得了 4464nm/RIU的高靈敏度。但該傳感器結構采用的是在線反射式，在線反射式的檢測方法是光源在光纖的一端，經(jīng)過激發(fā)SPR效應后的反射光在另一端接收檢測，如圖3所示。由于光纖不宜折的特點，所以不便于將這種結構的傳感區(qū)域放入盛裝分析物的容器中，并不適用于實際測量，目前該結構已不經(jīng)常被使用。(Yong Chen, Rongsheng Zheng, Yonghua Lu, Pei Wang, and HaiMing. Fiber-optic surface plasmon resonant sensor with low-1ndexant1-oxidationcoating[J], Chinese Optics Letters，2011，100605:1 4)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種具有更優(yōu)的靈敏性和實用性，能夠更好的滿足對折射率監(jiān)測效果需求的高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器及其傳感檢測系統(tǒng)。為了解決上述技術問題，本發(fā)明設計了一種高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器，包括光纖接頭1、涂覆層2、包層3和纖芯4，所述包層3、涂覆層2和光纖接頭I由內(nèi)向外依次包裹住纖芯4的一端，所述纖芯4的另一端由內(nèi)向外依次包裹有內(nèi)調(diào)制層6和金膜5。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結構所述纖芯4的折射率為1. 45,直徑為O. 6mm ;所述包層3的折射率為1. 39，厚度為O. 2mm ;所述內(nèi)調(diào)制層6的折射率為3. 5，厚度為200nm ;所述金膜5的厚度為50nm。本發(fā)明還設計了一種基于高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器的傳感檢測系統(tǒng)，包括寬帶光源、光纖耦合器、高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器、光譜儀和計算機，其中；所述寬帶光源產(chǎn)生入射光，通過多模光纖傳輸至光纖稱合器；所述光纖耦合器將接收到的入射光傳輸至高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器；
所述高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器放置在待測液體中，所述光纖耦合器發(fā)出的入射光經(jīng)過高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器的SPR效應處理后以反射光的形式再次通過光纖耦合器傳輸至光譜儀；所述光譜儀通過數(shù)據(jù)線與計算機連接，所述光譜儀將上述反射光以光譜信號的形式傳輸至計算機；所述計算機從上述光譜信號中采集共振光譜信號，從而得到待測液體折射率與共振波長的關系。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點1.本發(fā)明通過増覆折射率3. 5、厚度200nm的鉻膜，得到的傳感器具有高靈敏度；2.本發(fā)明所設計的高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器為終端反射式，傳感器伸入盛裝待測物質(zhì)的容器中，便于實際測量，更加實用。


圖1是內(nèi)調(diào)制層型光纖SPR傳感器結構示意圖；圖2是內(nèi)調(diào)制層型光纖SPR傳感器檢測系統(tǒng)組成示意圖；圖3是在線反射式光纖SPR傳感器結構示意圖；圖4是終端反射式光纖SPR傳感器結構示意圖；圖5是基于內(nèi)置調(diào)制層結構的光纖SPR傳感模型沿軸向方向Z=O. 8cm (傳輸區(qū)域)的坡印亭矢量圖；圖6是基于內(nèi)置調(diào)制層結構的光纖SPR傳感模型沿軸向方向Z=2. 22cm (共振區(qū)域)處X-Y截面的坡印亭矢量圖；圖7是金膜與內(nèi)調(diào)制層界面處坡印亭矢量隨內(nèi)調(diào)制層厚度的變化曲線圖；圖8是金膜與內(nèi)調(diào)制層界面處坡印亭矢量隨折射率變化曲線；圖9是傳感器末端功率譜密度隨內(nèi)調(diào)制層折射率變化曲線；圖10是無內(nèi)調(diào)制層光纖SPR探針測量不同液體折射率對應的模擬共振光譜曲線圖；圖11是含200nm厚度內(nèi)調(diào)制層的光學SPR探針測量不同液體折射率對應的模擬共振光譜曲線圖。1-光纖接頭，2-涂覆層，3-包層，4-纖芯，5-金膜，6_內(nèi)調(diào)制層。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的具體說明本發(fā)明是基于非線性有限元差分法(FDTD)與MATLAB的數(shù)值模擬。非線性有限元差分法是將Maxwell方程式在時間和空間領域上進行差分化，利用空間領域內(nèi)的電場和磁場進行交替計算，以達到數(shù)值計算的目的。傳感器結構采用終端反射式如圖4所示，這種結構方便將傳感器伸入盛裝待測物質(zhì)的容器中，從而能靈敏感知待測物質(zhì)折射率變化情況。纖芯折射率為1. 45，直徑為
O.6mm ;包層折射率為1. 39，厚度為O. 2mm ;金膜選用Lorentz Drude模型金膜，厚度為50nm，端面金屬膜厚度為200nm;環(huán)境介質(zhì)為空氣，折射率為1，入射光源選用TM波(即垂直極化波)。為獲得末端的功率譜密度，在末端設置觀察線。內(nèi)置調(diào)制層型光纖SPR傳感模型是在以上模型的基礎上，在纖芯與金膜之間增加一層調(diào)制層。圖5和圖6分別為基于內(nèi)置調(diào)制層結構的光纖SPR傳感模型沿軸向方向Z=O. 8cm(傳輸區(qū)域)和Z=2. 22cm (共振區(qū)域)處X-Y截面的坡印亭矢量圖。在傳輸區(qū)域，光波能量主要集中在纖芯中心即X=O處。在共振區(qū)域，能量峰值出現(xiàn)在纖芯與調(diào)制層的兩側分界面。這是由于共振區(qū)域發(fā)生SPR效應，使得光波能量泄漏到金膜和纖芯的分界面。能量出現(xiàn)峰值后立刻急劇減小，說明在此處發(fā)生了強烈的能量衰減，而這也是由SPR效應所引起。令內(nèi)調(diào)制層折射率為3. 5，分別對內(nèi)調(diào)制層厚度為100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm和400nm的模型進行仿真。在共振區(qū)域沿纖芯徑向X=300um處設置觀察點,得到觀察點處的坡印廷矢量如圖7所示。當內(nèi)調(diào)制層厚度為IOOnm時，觀察點處的能量遠大于其他厚度時該點的能量值。隨著內(nèi)調(diào)制層厚度的增加，觀察點處的能量不斷下降，這主要是由于SPR現(xiàn)象更加明顯，使得更多共振能量發(fā)生轉移所致。而當厚度大于200nm時，觀察點處能量隨著厚度的增加變化不大 ，這說明厚度繼續(xù)增加對SPR效應的影響不大。令內(nèi)調(diào)制層厚度為200nm，分別對內(nèi)調(diào)制層折射率為1. 5,2. 0,2. 5,3. 0,3. 5,4. O和4. 5的模型進行仿真，在光纖傳感器末端(Z=5. 8cm)及發(fā)生SPR效應的金膜與內(nèi)調(diào)制層的分界面處分別設置觀察點。圖8所示為金膜5與內(nèi)調(diào)制層6分界面處X-Y截面的坡印廷矢量隨內(nèi)調(diào)制層折射率變化曲線。當內(nèi)調(diào)制層折射率為3. 5時，坡印亭矢量最大，即此時能量泄露到金膜與調(diào)制層表面最多，SPR效應最強烈。圖9為傳感器末端功率譜密度隨內(nèi)調(diào)制層折射率變化曲線；內(nèi)調(diào)制層折射率為3. 5時，傳感器末端對應的功率譜密度最低，這是由于光纖中激發(fā)的SPR效應會導致光波傳輸能量的逐漸泄漏，進而使得光纖傳感器末端能量呈現(xiàn)急劇衰減。SPR效應越強烈，在光纖傳感器末端觀察點處的能量就越低，相對應的平均功率譜密度值也就越小。利用MATLAB對光纖SPR傳感器進行仿真時令光纖長度為20mm，纖芯直徑O. 6mm,折射率1. 45 ;內(nèi)調(diào)制層厚度折射率3. 5 ;金膜厚度50nm，介電常數(shù)是隨波長變化的函數(shù)，如公式⑴所示
權利要求
1.一種高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器，包括光纖接頭(I)、涂覆層(2)、包層(3)和纖芯(4)，所述包層(3)、涂覆層(2)和光纖接頭(I)由內(nèi)向外依次包裹住纖芯(4)的一端，其特征在于所述纖芯(4)的另一端由內(nèi)向外依次包裹有內(nèi)調(diào)制層(6)和金膜(5)。
2.根據(jù)權利要求1所述的高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器，其特征在于，所述纖芯(4)的折射率為1. 45，直徑為O. 6mm ;所述包層(3)的折射率為1. 39，厚度為O. 2mm ;所述內(nèi)調(diào)制層(6)的折射率為3. 5，厚度為200nm ;所述金膜(5)的厚度為50nm。
3.基于權利要求1所述的高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器的傳感檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括寬帶光源、光纖耦合器、高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器、光譜儀和計算機，其中； 所述寬帶光源產(chǎn)生入射光，通過多模光纖傳輸至光纖耦合器； 所述光纖耦合器將接收到的入射光傳輸至高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器； 所述高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型光纖SPR傳感器放置在待測液體中，所述光纖耦合器發(fā)出的入射光經(jīng)過高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器的SPR效應處理后以反射光的形式再次通過光纖耦合器傳輸至光譜儀； 所述光譜儀通過數(shù)據(jù)線與計算機連接，所述光譜儀將上述反射光以光譜信號的形式傳輸至計算機； 所述計算機從上述光譜信號中采集共振光譜信號，從而得到待測液體折射率與共振波長的關系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器，包括光纖接頭1、涂覆層2、包層3和纖芯4，所述包層3、涂覆層2和光纖接頭1由內(nèi)向外依次包裹住纖芯4的一端，所述纖芯4的另一端由內(nèi)向外依次包裹有內(nèi)調(diào)制層6和金膜5。本發(fā)明還設計了一種基于高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器的傳感檢測系統(tǒng)。本發(fā)明所設計的高靈敏度內(nèi)置調(diào)制層型SPR傳感器及其傳感檢測系統(tǒng)能夠更好的滿足對折射率監(jiān)測效果的需求。
文檔編號G01N21/41GK103048292SQ201210546140
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權日2012年12月17日
發(fā)明者曾捷, 孫曉明, 張倩韻, 周雅斌, 張先輝, 梁大開 申請人:南京航空航天大學