專利名稱：基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器及其傳感檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器及其傳感檢測系統(tǒng)，能夠測量液體折射率，可應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)和化工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
表面等離子體共振效應(yīng)(Surface Plasmon Resonance)是存在于金屬與非導(dǎo)電介質(zhì)界面處的物理光學(xué)現(xiàn)象，可利用它實(shí)現(xiàn)對金屬層和介質(zhì)層屬性微小變化的測量?；赟PR效應(yīng)的光學(xué)傳感技術(shù)已在生化檢測等多個領(lǐng)域得到應(yīng)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(jié)構(gòu)，由于SPR效應(yīng)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(yīng)關(guān)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(diǎn)，但是存在靈敏度不高的缺點(diǎn)。為提高傳感器靈敏度，中國科技大學(xué)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(jié)構(gòu)，其中纖芯數(shù)值孔徑為0.37，直徑為0.2mm，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(shí)驗(yàn)中取得了 4464nm/RIU的高靈敏度。但該傳感器結(jié)構(gòu)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(yīng)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(diǎn)，所以不便于將這種結(jié)構(gòu)的傳感區(qū)域放入盛裝分析物的容器中，并不適用于實(shí)際測量，目前該結(jié)構(gòu)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)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有更優(yōu)的靈敏性和實(shí)用性，能夠更好的滿足對折射率監(jiān)測效果需求的基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器及其傳感檢測系統(tǒng)。為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型設(shè)計了一種基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器，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相對于光纖接頭I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。作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu):所述纖芯4的折射率為1.45,直徑為0.6mm ;所述包層3的折射率為1.39，厚度為0.2mm ;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。本實(shí)用新型還設(shè)計了一種基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的傳感檢測系統(tǒng)，包括寬帶光源、光纖耦合器、基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器、光譜儀和計算機(jī)，其中；所述寬帶光源通過多模光纖與光纖耦合器連接，寬帶光源產(chǎn)生入射光，并傳輸至光纖稱合器；所述光纖耦合器的輸出端通過多模光纖分別連接基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器和光譜儀，并將接收到的入射光傳輸至基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器；所述基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波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)過基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的SPR效應(yīng)處理后以反射光的形式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(jī)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(jī)；所述計算機(jī)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(guān)系。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):1.本實(shí)用新型通過増覆折射率3.5、厚度200nm的鉻膜，得到的傳感器具有高靈敏度；2.本實(shí)用新型所設(shè)計的內(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(shí)際測量，更加實(shí)用。

圖1是基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的傳感器檢測系統(tǒng)組成示意圖；圖3是在線反射式光纖SPR傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是終端反射式光纖SPR傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的傳感模型沿軸向方向Z=0.8cm(傳輸區(qū)域)的坡印亭矢量圖；圖6是基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的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(yīng)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(xué)SPR探針測量不同液體折射率對應(yīng)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(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的具體說明:本實(shí)用新型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(lǐng)域上進(jìn)行差分化，利用空間領(lǐng)域內(nèi)的電場和磁場進(jìn)行交替計算，以達(dá)到數(shù)值計算的目的。傳感器結(jié)構(gòu)采用終端反射式如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)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0.6mm ;包層折射率為1.39，厚度為0.2mm ;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(shè)置觀察線?；趶?fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器是在以上模型的基礎(chǔ)上，在纖芯與金膜之間增加一層調(diào)制層。圖5和圖6分別為基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的傳感模型沿軸向方向Z=0.8cm (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χ=0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(cè)分界面。這是由于共振區(qū)域發(fā)生SPR效應(yīng)，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(qiáng)烈的能量衰減，而這也是由SPR效應(yīng)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(jìn)行仿真。在共振區(qū)域沿纖芯徑向X=300um處設(shè)置觀察點(diǎn),得到觀察點(diǎn)處的坡印廷矢量如圖7所示。當(dāng)內(nèi)調(diào)制層厚度為IOOnm時，觀察點(diǎn)處的能量遠(yuǎn)大于其他厚度時該點(diǎn)的能量值。隨著內(nèi)調(diào)制層厚度的增加，觀察點(diǎn)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(zhuǎn)移所致。而當(dāng)厚度大于200nm時，觀察點(diǎn)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(yīng)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6折射率為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0和4.5的模型進(jìn)行仿真，在光纖傳 感器末端(Z=5.8cm)及發(fā)生SPR效應(yīng)的金膜與內(nèi)調(diào)制層的分界面處分別設(shè)置觀察點(diǎn)。圖8所示為金膜與內(nèi)調(diào)制層分界面處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(dāng)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(yīng)最強(qiáng)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(yīng)的功率譜密度最低，這是由于光纖中激發(fā)的SPR效應(yīng)會導(dǎo)致光波傳輸能量的逐漸泄漏，進(jìn)而使得光纖傳感器末端能量呈現(xiàn)急劇衰減。SPR效應(yīng)越強(qiáng)烈，在光纖傳感器末端觀察點(diǎn)處的能量就越低，相對應(yīng)的平均功率譜密度值也就越小。利用MATLAB對光纖SPR傳感器進(jìn)行仿真時令光纖長度為20mm，纖芯直徑0.6mm,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:nAU= ((1.8305e-6) X λ 2-0.0029818 X λ +1.2385)+iX ((1.6277e-6) X λ 2+0.010483Χ λ-3.1186)(I)無內(nèi)調(diào)制層和増覆200nm調(diào)制層的光纖SPR傳感器隨環(huán)境介質(zhì)折射率變化的模擬共振光譜曲線圖如圖10所示。由圖所知，增覆200nm厚度的內(nèi)置調(diào)制層后，可以發(fā)現(xiàn)隨著被測液體折射率的增加，共振波形偏移量明顯增加。無內(nèi)調(diào)制層時，共振波長變化范圍為650.47ηπΓ760.13nm。而當(dāng)調(diào)制層為200nm時，共振波長變化范圍是610.81nnT820.36nm,不僅共振光譜偏移范圍發(fā)生變化，而且曲線斜率明顯增大，其斜率即為傳感器靈敏度。經(jīng)過計算，無內(nèi)調(diào)制層的三層光纖SPR傳感器靈敏度為1096.6nm/RIU, 200nm內(nèi)調(diào)制層光纖SPR傳感器靈敏度為2095.5nm/RIU。基于上述分析，本文選擇厚度為200nm、折射率為3.5的材料作為內(nèi)調(diào)制層，研制
基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器。如圖1所示，本實(shí)用新型設(shè)計了一種基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器，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相對于光纖接頭I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。作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu):所述纖芯4的折射率為1.45，直徑為0.6mm ;所述包層3的折射率為1.39，厚度為0.2mm ;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。在光纖傳感器探針加工環(huán)節(jié)，首先使用光纖切割刀截取長度為200mm的光纖，對其兩端面用光纖研磨機(jī)進(jìn)行磨平、拋光。接著將處理過的光纖一部分浸入濃硫酸中浸泡15分鐘，去除光纖的涂覆層2。再將光纖下端插入裝有濃度為40%HF酸溶液的聚四氟乙烯容器中靜置約I小時，去除光纖包層3。最后用蒸餾水和丙酮溶液交替反復(fù)沖洗，這樣就得到除去了涂覆層2和包層3，只有裸纖芯的光纖4。在鍍膜環(huán)節(jié)，將光纖探針插入專用夾具中，夾具在電機(jī)的帶動下圍繞爐壁進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動，使光纖外側(cè)可以均勻的鍍上200nm鉻膜(內(nèi)調(diào)制層6)和50nm金膜5。光纖的一頭剝?nèi)ネ扛矊?和包層3，在裸光纖的外側(cè)鍍內(nèi)調(diào)制層6和金膜5，光線從另一頭入射后，在此共振區(qū)域發(fā)生表面等離子體波共振效應(yīng)(SPR)，然后被光纖端面的金膜5反射回去。如圖2所示，本實(shí)用新型還設(shè)計了一種基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的傳感檢測系統(tǒng)，包括寬帶光源、光纖耦合器、基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器、光譜儀和計算機(jī)，其中；所述寬帶光源通過多模光纖與光纖耦合器連接，寬帶光源產(chǎn)生入射光，并傳輸至光纖稱合器；所述光纖耦合器的輸出端通過多模光纖分別連接基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器和光譜儀，并將接收到的入射光傳輸至基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器；所述基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波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)過基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的SPR效應(yīng)處理后以反射光的形式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(jī)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(jī)；所述計算機(jī)通過軟件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(guān)系。在具體操作時，在室溫下將基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器依次放入乙醇、異丙醇、N，N-二甲基甲酰胺、水、乙酸乙酯、鄰苯二甲基二丁酯(DBP)分析純?nèi)芤?，這些液體折射率依次為1.335,1.341,1.344,1.371,1.381,1.392。圖11為內(nèi)置調(diào)制層型光纖SPR傳感器在6種不同折射率溶液中的共振光譜曲線圖。由圖可知隨著溶液折射率的增加，基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的共振光譜發(fā)生向右偏移，共振波長從617.43nm依次逐漸變化為746.15nm，且共振光譜偏移量較無內(nèi)調(diào)制層時呈現(xiàn)明顯增大。結(jié)果表明，通過在纖芯4與金膜5內(nèi)側(cè)增加內(nèi)置調(diào)制層6，使得光纖SPR傳感器靈敏度得以大幅提高，常規(guī)三層結(jié)構(gòu)光纖SPR傳感器的靈敏度系數(shù)為1140.3nm/RIU，而基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的靈敏度系數(shù)達(dá)到2263.lnm/RIU，靈敏度提高了98.5%。
權(quán)利要求1.一種基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器，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)相對于光纖接頭(I)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(quán)利要求1所述的基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器，其特征在于，所述纖芯(4)的折射率為1.45，直徑為0.6mm ;所述包層(3)的折射率為1.39，厚度為0.2mm ;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。
3.一種基于權(quán)利要求1所述的基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波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、基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器、光譜儀和計算機(jī)，其中； 所述寬帶光源通過多模光纖與光纖耦合器連接，寬帶光源產(chǎn)生入射光，并傳輸至光纖耦合器； 所述光纖耦合器的輸出端通過多模光纖分別連接基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器和光譜儀，并將接收到的入射光傳輸至基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器； 所述基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波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)過基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的SPR效應(yīng)處理后以反射光的形式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(jī)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(jī)； 所述計算機(jī)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(guān)系。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器，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；本實(shí)用新型還設(shè)計了一種基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波傳感器的傳感檢測系統(tǒng)。本實(shí)用新型所設(shè)計的基于復(fù)合膜層的光纖等離子體波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G01N21/55GK203037578SQ20122069662
公開日2013年7月3日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者孫曉明, 曾捷, 張倩韻, 曹海東, 張先輝, 梁大開 申請人:南京航空航天大學(xué)