一種螺旋芯光纖spr傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖SPR傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種可以廣泛應(yīng)用于生物傳感、 化學(xué)分析、藥品研發(fā)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域的螺旋芯光纖SPR傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 信息獲取與處理已經(jīng)成為現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域的核心，對(duì)社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步起著 重要的作用。傳感器作為信息獲取與處理系統(tǒng)中最核心的部件，直接面向被測(cè)量的對(duì)象，將 被測(cè)對(duì)象參數(shù)轉(zhuǎn)換為信號(hào)，是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)，在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中有著廣泛的應(yīng) 用。表面等離子體共振技術(shù)(Surface Plasmon Resonance,SPR)以其對(duì)外界介質(zhì)折射率細(xì) 微變化極其敏感的特性，近年來在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，并得到了飛速的發(fā)展。光纖 SPR傳感技術(shù)將SPR技術(shù)和光纖傳感技術(shù)有效的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)光纖表面等離子體共振傳感 測(cè)量。光纖SPR傳感器具有傳統(tǒng)傳感器件無法比擬的優(yōu)勢(shì)，可以用于非常狹小空間的測(cè)量。 以往的SPR傳感器采用棱鏡作為光學(xué)耦合器件，由于棱鏡體積大，對(duì)裝置設(shè)置要求高，因此 限制了它的應(yīng)用，而使用光纖作為耦合器件，不但可以用于狹小空間實(shí)現(xiàn)測(cè)量，而且性能穩(wěn) 定，不易受外界因素的影響。此外，光纖SPR傳感器具備了光纖可以遠(yuǎn)距離傳輸和實(shí)時(shí)性好 的特點(diǎn)，因此光纖SPR傳感器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的功能。光纖SPR傳感器還可以有 效的與其他光學(xué)器件進(jìn)行集成，具有良好的穩(wěn)定性和靈活性。
[0003] 表面等離子體共振是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，表面等離子體波是沿著金屬和電介質(zhì)間 界面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，?dāng)特定波長(zhǎng)偏振光以某一特定的角度入射到分界面而發(fā)生全反射時(shí)， 入射光被耦合為表面等離子體波而被衰減，引起界面全反射的光能量呈指數(shù)衰減，發(fā)生表 面等離子體共振。發(fā)生共振時(shí)的入射角稱為共振角。在實(shí)際的應(yīng)用中，為了獲取共振角，通 常對(duì)直波導(dǎo)光纖進(jìn)行一系列復(fù)雜的操作工藝，以求獲取共振角。文獻(xiàn)（Analytical Chemistry，0003-2700，1994，66卷，7期，963頁）中介紹了 一種制作方法，首先將光纖涂覆層 去除，然后將光纖黏貼到一個(gè)彎曲的鋁拋光片上，在拋光的過程中需要用氦氖激光束監(jiān)測(cè)， 當(dāng)拋磨到通過光線的激光強(qiáng)度開始下降時(shí)，停止拋磨，此種方法工藝復(fù)雜，而且制備精度較 低。文獻(xiàn)（Sensors and Actuators B 51(1998)311-315)和文獻(xiàn)（Sensors and Actuators B 29 (1995)401-405)中介紹的SPR傳感器雖然獲得了較好的傳感特性，但是為了獲得共振 的條件，都是通過彎曲光纖以獲得共振角，由于光纖材料特性，光纖很容易被折斷，穩(wěn)定性 和一致性較差。
[0004] 隨著SPR傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的日益廣泛，其在很多領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景得到了研究 者的認(rèn)同，越來越多的學(xué)者被SPR傳感器的應(yīng)用前景和潛力所吸引，投入到SPR傳感器研究 當(dāng)中。
[0005] 申請(qǐng)?zhí)枮?01510400263.6的發(fā)明專利中介紹了一種分布式表面等離子體共振光 纖傳感器，在雙芯光纖上加工有成對(duì)滿足一定錯(cuò)位長(zhǎng)度分布的V型槽，在V型槽斜面上鍍有 傳感層，此種結(jié)構(gòu)的光纖SPR傳感器雖然能夠很好地與全光纖系統(tǒng)進(jìn)行低損耗鏈接，但是由 于制備工藝要求較高、難以實(shí)現(xiàn)批量制備。申請(qǐng)?zhí)枮?01410610073.2的專利介紹了一種基 于周期性金屬結(jié)構(gòu)的光纖局域表面等離子共振傳感器，在光纖纖芯的傳感區(qū)的外周面上設(shè) 置有納米尺度的周期性金屬納米螺旋狀結(jié)構(gòu)，以激發(fā)局域表面等離子體共振效應(yīng)。申請(qǐng)?zhí)?為200910073960.X專利提出一種棱鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，采用棱鏡作為 耦合器件，體積大，限制了其應(yīng)用范圍。申請(qǐng)?zhí)枮?01210067372.的專利中介紹一種石墨烯 薄膜增敏的D型光纖SPR傳感器及其制備方法，在銀膜層表面沉積石墨烯薄膜層來增加該 SPR傳感器的靈敏度。該方法具有一定的新穎性，具有靈敏度高和響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，但是在傳 感器結(jié)構(gòu)上沒有新的改進(jìn)，達(dá)到等離子體共振條件比較困難。
[0006] 本發(fā)明針對(duì)以上在先技術(shù)存在的優(yōu)點(diǎn)和不足。提出一種螺旋芯光纖SPR傳感器。纖 芯的螺旋彎曲結(jié)構(gòu)是建構(gòu)在光纖的內(nèi)部，通過合理的設(shè)置螺距和曲率等幾何參數(shù)，不僅可 以有效的將高階模式去除，實(shí)現(xiàn)單模傳輸，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率、高穩(wěn)定性SPR的測(cè)量，而且通 過對(duì)獲得各種角度的SPR共振角，從而滿足不同的測(cè)量需求。本發(fā)明在保留了全光纖SPR傳 感器體積小、不易受外界環(huán)境影響的同時(shí)，還具有制作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有高分辨率、穩(wěn)定性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)不同角度 SPR共振角等特點(diǎn)的螺旋芯光纖SPR傳感器。
[0008] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0009] -種螺旋芯光纖SPR傳感器，由輸入光纖1、輸入光纖的纖芯2、光纖焊接面、螺旋光 纖芯4、光纖D型剖面5、金納米膜6、輸出光纖8、輸出光纖的纖芯9組成;所述螺旋芯光纖SPR 傳感器，是由兩端各自焊接一段標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，中間焊接一段螺旋芯光纖的三明治結(jié)構(gòu)組 成;螺旋芯光纖是借助于熱融旋轉(zhuǎn)技術(shù)制備而成的;通過采用光纖側(cè)拋方法，使得該螺旋芯 光纖部分光纖芯裸露，最后，采用濺射法在該拋光面制備適當(dāng)厚度的金納米膜;就構(gòu)成了該 新型螺旋芯光纖SPR傳感器。
[0010]本發(fā)明中金屬膜采用金或金屬銀來制備;膜的厚度為50nm。
[0011] 所述螺旋芯光纖SPR傳感器兩端與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖進(jìn)行連接或制作成標(biāo)準(zhǔn)光纖器 件，插入光纖測(cè)量系統(tǒng)中。
[0012] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0013] 本發(fā)明采用螺旋芯光纖結(jié)構(gòu)制作光纖SPR傳感器，這種螺旋芯光纖的優(yōu)勢(shì)在于將 纖芯的彎曲結(jié)構(gòu)置于光纖內(nèi)部。用螺旋的等效曲率半徑代替光纖的彎曲半徑，可以實(shí)現(xiàn)彎 曲光纖所不能實(shí)現(xiàn)的小彎曲半徑，通過合理的設(shè)置幾何和物理參數(shù)，可以提供一個(gè)有效的 單模輸出，提高了 SPR測(cè)量的分辨率和穩(wěn)定性，此外，采用螺旋芯光纖另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，更 容易找到SPR共振角，通過調(diào)整螺旋光纖的螺距，可以得到各種角度的SPR共振角，進(jìn)而滿足 不同的測(cè)量需求。本發(fā)明在保留了全光纖SPR傳感器體積小、不易受外界環(huán)境影響的同時(shí)還 具有制作簡(jiǎn)單、一致性好、適于批量規(guī)模化制作的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0014] 圖1是螺旋芯光纖SPR傳感器示意圖。
[0015]圖2是螺旋芯光纖結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3是一個(gè)周期的螺旋芯光纖直角坐標(biāo)系中的平面示意圖。
[0017] 圖4單周期螺旋芯光纖SPR直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖5-段螺旋芯在螺旋坐標(biāo)中分析示意圖。
[0019] 圖6是螺旋芯光纖SPR反射功率譜曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合具體的附圖來進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0021]本發(fā)明提供的是一種螺旋芯光纖SPR傳感器。其特征是:它由輸入光纖1、輸入光纖 的纖芯2、光纖焊接面3和7、螺旋光纖芯4、光纖D型剖面5、金納米膜6、輸出光纖8、輸出光纖 的纖芯9組成。本發(fā)明采用偏心光纖，借助于熱融旋轉(zhuǎn)技術(shù)制備螺旋芯光纖，采用光纖側(cè)面 拋方法使