基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器及其傳感檢測系統的製作方法

2023-06-03 21:27:41 2

專利名稱：基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器及其傳感檢測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器及其傳感檢測系統，能夠測量液體折射率，可應用於生物、醫學和化工領域。
背景技術：
表面等離子體共振效應(Surface Plasmon Resonance)是存在於金屬與非導電介質界面處的物理光學現象，可利用它實現對金屬層和介質層屬性微小變化的測量。基於SPR效應的光學傳感技術已在生化檢測等多個領域得到應用。傳統的光纖SPR傳感器是基於纖芯-金膜-環境介質三層結構，由於SPR效應其反射光譜會形成一個凹谷。隨著被測環境介質折射率的增加，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係，所以可通過測量共振波谷的位置得到環境介質的折射率。該方法具有傳輸損耗小、體積小、集成性好等優點，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為外調製層的光纖表面等離子體共振傳感器。採用纖芯-銀膜-調製層-環境介質四層結構，其中纖芯數值孔徑為0.37，直徑為0.2mm，銀膜厚度為40nm，調製層使用氟化鎂，厚度為10nm，折射率為1.377。在分析物的折射率範圍為1.33-1.40時，實驗中取得了 4464nm/RIU的高靈敏度。但該傳感器結構採用的是在線反射式，在線反射式的檢測方法是光源在光纖的一端，經過激發SPR效應後的反射光在另一端接收檢測，如圖3所示。由於光纖不宜折的特點，所以不便於將這種結構的傳感區域放入盛裝分析物的容器中，並不適用於實際測量，目前該結構已不經常被使用。(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)。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種具有更優的靈敏性和實用性，能夠更好的滿足對摺射率監測效果需求的基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器及其傳感檢測系統。為了解決上述技術問題，本實用新型設計了一種基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器，包括光纖接頭1、塗覆層2、包層3和纖芯4，所述包層3、塗覆層2和光纖接頭I由內向外依次包裹住纖芯4的一端,所述纖芯4相對於光纖接頭I的另一端由內向外依次包裹有內調製層6和金膜5。作為本實用新型的一種優化結構: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 ;所述內調製層6的折射率為3.5，厚度為200nm ；所述金膜5的厚度為50nm。本實用新型還設計了一種基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器的傳感檢測系統，包括寬帶光源、光纖耦合器、基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器、光譜儀和計算機，其中；所述寬帶光源通過多模光纖與光纖耦合器連接，寬帶光源產生入射光，並傳輸至光纖稱合器；所述光纖耦合器的輸出端通過多模光纖分別連接基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器和光譜儀，並將接收到的入射光傳輸至基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器；所述基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器放置在待測液體中，所述光纖耦合器發出的入射光經過基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器的SPR效應處理後以反射光的形式通過光纖耦合器傳輸至光譜儀；所述光譜儀通過數據線與計算機連接，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採集共振光譜信號，從而得到待測液體折射率與共振波長的關係。本實用新型與現有技術相比具有如下優點:1.本實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.本實用新型所設計的內置調製層型SPR傳感器為終端反射式，傳感器伸入盛裝待測物質的容器中，便於實際測量，更加實用。

圖1是基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器結構示意圖；圖2是基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器的傳感器檢測系統組成示意圖；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是基於複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(傳輸區域)的坡印亭矢量圖；圖6是基於複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(共振區域)處X-Y截面的坡印亭矢量圖；圖7是金膜與內調製層界面處坡印亭矢量隨內調製層厚度的變化曲線圖；圖8是金膜與內調製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調製層折射率變化曲線；圖10是無內調製層光纖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厚度內調製層的光學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-塗覆層，3-包層，4-纖芯，5-金膜，6_內調製層。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步的具體說明:本實用新型是基於非線性有限元差分法(FDTD)與MATLAB的數值模擬。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，利用空間領域內的電場和磁場進行交替計算，以達到數值計算的目的。傳感器結構採用終端反射式如圖4所示，這種結構方便將傳感器伸入盛裝待測物質的容器中，從而能靈敏感知待測物質折射率變化情況。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;環境介質為空氣，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。基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器是在以上模型的基礎上，在纖芯與金膜之間增加一層調製層。圖5和圖6分別為基於複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 (傳輸區域)和Z=2.22cm (共振區域)處X_Y截面的坡印亭矢量圖。在傳輸區域，光波能量主要集中在纖芯中心即χ=0處。在共振區域，能量峰值出現在纖芯與調製層的兩側分界面。這是由於共振區域發生SPR效應，使得光波能量洩漏到金膜和纖芯的分界面。能量出現峰值後立刻急劇減小，說明在此處發生了強烈的能量衰減，而這也是由SPR效應所引起。令內調製層折射率為3.5，分別對內調製層厚度為100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm和400nm的模型進行仿真。在共振區域沿纖芯徑向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。當內調製層厚度為IOOnm時，觀察點處的能量遠大於其他厚度時該點的能量值。隨著內調製層厚度的增加，觀察點處的能量不斷下降，這主要是由於SPR現象更加明顯，使得更多共振能量發生轉移所致。而當厚度大於200nm時，觀察點處能量隨著厚度的增加變化不大，這說明厚度繼續增加對SPR效應的影響不大。令內調製層厚度為200nm，分別對內調製層6折射率為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0和4.5的模型進行仿真，在光纖傳 感器末端(Z=5.8cm)及發生SPR效應的金膜與內調製層的分界面處分別設置觀察點。圖8所示為金膜與內調製層分界面處X-Y截面的坡印廷矢量隨內調製層折射率變化曲線。當內調製層折射率為3.5時，坡印亭矢量最大，即此時能量洩露到金膜與調製層表面最多，SPR效應最強烈。圖9為傳感器末端功率譜密度隨內調製層折射率變化曲線；內調製層折射率為3.5時，傳感器末端對應的功率譜密度最低，這是由於光纖中激發的SPR效應會導致光波傳輸能量的逐漸洩漏，進而使得光纖傳感器末端能量呈現急劇衰減。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0.6mm,折射率1.45 ;內調製層厚度折射率3.5 ;金膜厚度50nm，介電常數是隨波長變化的函數，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)無內調製層和増覆200nm調製層的光纖SPR傳感器隨環境介質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厚度的內置調製層後，可以發現隨著被測液體折射率的增加，共振波形偏移量明顯增加。無內調製層時，共振波長變化範圍為650.47ηπΓ760.13nm。而當調製層為200nm時，共振波長變化範圍是610.81nnT820.36nm,不僅共振光譜偏移範圍發生變化，而且曲線斜率明顯增大，其斜率即為傳感器靈敏度。經過計算，無內調製層的三層光纖SPR傳感器靈敏度為1096.6nm/RIU, 200nm內調製層光纖SPR傳感器靈敏度為2095.5nm/RIU。基於上述分析，本文選擇厚度為200nm、折射率為3.5的材料作為內調製層，研製
基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器。如圖1所示，本實用新型設計了一種基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器，包括光纖接頭1、塗覆層2、包層3和纖芯4，所述包層3、塗覆層2和光纖接頭I由內向外依次包裹住纖芯4的一端,所述纖芯4相對於光纖接頭I的另一端由內向外依次包裹有內調製層6和金膜5。作為本實用新型的一種優化結構: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 ;所述內調製層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節，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進行磨平、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，去除光纖的塗覆層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。最後用蒸餾水和丙酮溶液交替反覆衝洗，這樣就得到除去了塗覆層2和包層3，只有裸纖芯的光纖4。在鍍膜環節，將光纖探針插入專用夾具中，夾具在電機的帶動下圍繞爐壁進行勻速轉動，使光纖外側可以均勻的鍍上200nm鉻膜(內調製層6)和50nm金膜5。光纖的一頭剝去塗覆層2和包層3，在裸光纖的外側鍍內調製層6和金膜5，光線從另一頭入射後，在此共振區域發生表面等離子體波共振效應(SPR)，然後被光纖端面的金膜5反射回去。如圖2所示，本實用新型還設計了一種基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器的傳感檢測系統，包括寬帶光源、光纖耦合器、基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器、光譜儀和計算機，其中；所述寬帶光源通過多模光纖與光纖耦合器連接，寬帶光源產生入射光，並傳輸至光纖稱合器；所述光纖耦合器的輸出端通過多模光纖分別連接基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器和光譜儀，並將接收到的入射光傳輸至基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器；所述基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器放置在待測液體中，所述光纖耦合器發出的入射光經過基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器的SPR效應處理後以反射光的形式通過光纖耦合器傳輸至光譜儀；所述光譜儀通過數據線與計算機連接，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；所述計算機通過軟體從上述光譜信號中採集共振光譜信號，從而得到待測液體折射率與共振波長的關係。在具體操作時，在室溫下將基於複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-二甲基甲醯胺、水、乙酸乙酯、鄰苯二甲基二丁酯(DBP)分析純溶液，這些液體折射率依次為1.335,1.341,1.344,1.371,1.381,1.392。圖11為內置調製層型光纖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，基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器的共振光譜發生向右偏移，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調製層時呈現明顯增大。結果表明，通過在纖芯4與金膜5內側增加內置調製層6，使得光纖SPR傳感器靈敏度得以大幅提高，常規三層結構光纖SPR傳感器的靈敏度係數為1140.3nm/RIU，而基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器的靈敏度係數達到2263.lnm/RIU，靈敏度提高了98.5%。
權利要求1.一種基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器，包括光纖接頭(I)、塗覆層(2)、包層(3)和纖芯(4)，所述包層(3)、塗覆層(2)和光纖接頭(I)由內向外依次包裹住纖芯(4)的一端，其特徵在於:所述纖芯(4)相對於光纖接頭(I)的另一端由內向外依次包裹有內調製層(6)和金膜(5)。
2.根據權利要求1所述的基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器，其特徵在於，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 ;所述內調製層(6)的折射率為3.5，厚度為200nm ;所述金膜(5)的厚度為50nm。
3.一種基於權利要求1所述的基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器的傳感檢測系統，其特徵在於，包括寬帶光源、光纖耦合器、基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器、光譜儀和計算機，其中； 所述寬帶光源通過多模光纖與光纖耦合器連接，寬帶光源產生入射光，並傳輸至光纖耦合器； 所述光纖耦合器的輸出端通過多模光纖分別連接基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器和光譜儀，並將接收到的入射光傳輸至基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器； 所述基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器放置在待測液體中，所述光纖耦合器發出的入射光經過基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器的SPR效應處理後以反射光的形式通過光纖耦合器傳輸至光譜儀； 所述光譜儀通過數據線與計算機連接，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採集共振光譜信號，從而得到待測液體折射率與共振波長的關係。
專利摘要本實用新型公開了一種基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器，包括光纖接頭1、塗覆層2、包層3和纖芯4，所述包層3、塗覆層2和光纖接頭1由內向外依次包裹住纖芯4的一端，所述纖芯4的另一端由內向外依次包裹有內調製層6和金膜5；本實用新型還設計了一種基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器的傳感檢測系統。本實用新型所設計的基於複合膜層的光纖等離子體波傳感器及其傳感檢測系統能夠更好的滿足對摺射率監測效果的需求。
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 優先權日2012年12月17日
發明者孫曉明, 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