一種稜鏡spr高靈敏度光纖液體折射率傳感器的製作方法

2023-10-19 20:59:42 2

專利名稱：一種稜鏡spr高靈敏度光纖液體折射率傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於基於SPR測量液體折射率的技術，特別是一種強度調製型稜鏡 SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器。
背景技術：
表面等離子體波共振效應(surface plasmon wave resonance (SPR))作為一種
發生在金屬與電介質界面的物理光學現象，它對環境介質折射率變化非常敏感。 目前，基於SPR效應的傳感器結構已被廣泛應用於液態物質檢測技術，如生化、 環保監測、藥品研製和食品安全等領域，並在基因突變的檢測、生物分子反應 動力學測定以及工業廢水廢氣監控等取得重大進展。基十SPR的稜鏡型傳感器 檢測分析方法有4種
(1) 角度調製法，即單色光入射，改變入射角，檢測反射光的歸一化強度隨 入射角的變化情況，並記錄反射光強度最小時的入射角，也就是共振角；
(2) 波長調製法，即複色光入射，固定入射角而對反射光的光譜進行分析， 得到反射率隨波長的變化曲線，並記錄共振波長；
(3) 強度調製法，即入射光的角度和波長都固定，通過檢測反射光強度的變 化分析折射率的變化；
(4) 相位調製法，即入射光的角度和波長都固定，觀測入射光與反射光的相 位差。
在這4種方法中，角度調製法需要昂貴的精密角度轉動裝置和控制系統，波 長調製法需要複色光和昂貴的光譜分析裝置，相位調製法需要-系列高頻電路， 這就使得它們的應用受到限制。強度調製法由於光源強度的波動以及光電接收 器和放大電路存在著直流漂移，因此基於光強調製的方法測量樣品折射率的精 度會受到很大的限制，採用文獻l[Zhang Zhi-wei,Wu Zhi-fang，Wen Ting-dun. Asimple model for measuring refractive index of a liquid based upon Fresnel equations. Chin.Phys丄ett， 2007， 24(11): 3133~3136]提出的建立模型的方法，
就很容易克服這一缺點。
文獻2[曾捷，梁大開，杜豔，曾振武,基於反射光強度檢測的稜鏡SPR傳感 器.光電子.雷射，2007,18(2): 159 163]是一種基於克萊切曼(Kretschmann)結構
的新型稜鏡SPR傳感方法。這種傳感方法中沒有採用保偏光纖準直器和保偏光 纖Y形耦合器，因此沒法採用文獻l提出的方法提高精度；也沒有採用全反射稜 鏡使得一束測量光兩次激勵SPR，從而不能進一步提高靈敏度。總之，文獻2這 種方法在消除背景光幹擾、消除光源強度波動影響和提高測量靈敏度方面存在 不足。

發明內容
本發明的目的是克服現有基於SPR的稜鏡型強度調製的傳感器檢測分析技 術的不足和所要解決的技術問題，提供一種結構緊湊，工作方便，可以長距離 使用的強度調製型稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器。
一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，包括由脈衝雷射器與脈衝 信號發生器構成的雷射發射裝置、TM(或稱P)光波產生和傳輸的裝置、激勵SPR 裝置、光波接收裝置、放大與A/D轉換及數據處理裝置，其特徵在於所述的 激勵SPR裝置是一束入射光兩次激勵SPR裝置；所述的一束入射光兩次激勵SPR 裝置由等腰稜鏡、金屬薄膜及待測量液體介質構成的克萊切曼結構與全反射裝 置組成；其中
參所述的TM光波產生和傳輸裝置包含P光起偏器、TM光波保偏光纖準 直器、Y形保偏光纖耦合器、傳感光支路保偏光纖準直器與參考光支路保偏光 纖準直器；
參所述的TM光波保偏光纖準直器、傳感光支路保偏光纖準直器、參考光支 路保偏光纖準直器與Y形保偏光纖耦合器之間通過保偏光纖連接器連接；參所述的光波接收裝置包含參考光支路光電轉換器、收集光的光纖準直器 與傳感光支路光電轉換器；
參所述的放大與A/D轉換及數據處理裝置包含放大器及A/D轉換器和數據
處理裝置；
參由脈衝雷射器發出的雷射束經P光起偏器產生TM光波，TM光波被TM
光波保偏光纖準直器耦合到Y形保偏光纖耦合器中，從Y形保偏光纖耦合器的 傳感光支路保偏光纖準直器出來的光，垂直克萊切曼結構中的等腰稜鏡左邊的 工作面到達其底部，在底部的金屬薄膜與待測液體介質界面上，第一次激勵SPR 後到達全反射裝置，反射光經過全反射裝置兩次全反射後，再一次垂直克萊切 曼結構中的等腰稜鏡右邊的工作面到達其底部，並在底部金屬薄膜與待測液體 介質界面上第二次激勵SPR;兩次激勵SPR後的反射光，經過收集光的光纖準 直器耦合到達傳感光支路光電轉換器；從Y形保偏光纖耦合器的參考光支路保 偏光纖準直器出來的光，耦合到達參考光支路光電轉換器。經參考光支路光電 轉換器與傳感光支路光電轉換器將光信號轉換為電信號後，電信號送入放大器 及A/D轉換器，放大並進行模數轉換，轉換後的數位訊號送入數據處理裝置進 行數據處理。
本發明與現有技術相比較，具有突出的實質性特點和顯著的效果是減少 了TM光波的能量損耗，可消除背景光的幹擾和補償光源強度不穩定，高效利 用了TM光波，從而提高了靈敏度，並可進行長距離測試。


圖1是一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器的原理示意圖； 圖2是一束入射光兩次激勵SPR裝置結構示意圖； 圖3是四種不同濃度液體的光強反射率與入射角度的關係曲線圖； 圖4是全反射等腰直角稜鏡與克萊切曼結構中的等腰稜鏡為一體的結構示 意圖；圖5是全反射等腰直角稜鏡與克萊切曼結構中的等腰稜鏡用膠粘在一起的 結構示意圖6是全反射等腰直角稜鏡與克萊切曼結構中的等腰稜鏡之間具有一定間 隙的結構示意圖7是全反射裝置為一對平面反射鏡的結構示意圖； 圖8為數據處理裝置控制和數據處理流程圖。
圖中脈衝雷射器l、 P光起偏器2、 TM光波保偏光纖準直器3、 Y形保偏光 纖耦合器4、傳感光支路保偏光纖準直器5、參考光支路保偏光纖準直器6、參考 光支路光電轉換器7、脈衝信號發生器8、放大器及A/D轉換器9、傳感光支路光 電轉換器IO、數據處理裝置ll、收集光的光纖準直器12、由等腰稜鏡1301、金 屬薄膜1302及待測量液體介質1303構成的克萊切曼結構13和全反射裝置14。
具體實施例方式
以下結合

本發明具體實施方法。
圖1所示，本發明一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，包括由脈 衝激光器1與脈衝信號發生器8構成的雷射發射裝置、TM光波產生和傳輸的裝 置、激勵SPR裝置、光波接收裝置、放大與A/D轉換及數據處理裝置，其特徵在 於所述的激勵SPR裝置是一束入射光兩次激勵SPR裝置；所述的一束入射光兩 次激勵SPR裝置由等腰稜鏡1301、金屬薄膜1302及待測量液體介質1303構成的 克萊切曼結構13和全反射裝置14組成；其中
參所述的TM光波產生和傳輸裝置包含P光起偏器2、TM光波保偏光纖準 直器3、 Y形保偏光纖耦合器4、傳感光支路保偏光纖準直器5與參考光支路保 偏光纖準直器6;
魯所述的TM光波保偏光纖準直器3、傳感光支路保偏光纖準直器5、參考光 支路保偏光纖準直器6與Y形保偏光纖耦合器4之間，採用保偏光纖連接器連接; 參所述的光波接收裝置包含參考光支路光電轉換器7、收集光的光纖準直器12與傳感光支路光電轉換器10;
參所述的放大與A/D轉換及數據處理裝置包含放大器及A/D轉換器9與數據
處理裝置ll。
本發明一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器的光電信號的傳輸過 程是由脈衝雷射器1發出的雷射束經P光起偏器產生TM光波，TM光波被 TM光波保偏光纖準直器3耦合到Y形保偏光纖耦合器4中，從Y形保偏光纖 耦合器的傳感光支路保偏光纖準直器5出來的光，垂直克萊切曼結構13的等腰 稜鏡左邊工作面到達其底部，在底部金屬薄膜與待測液體介質界面上，第一次 激勵SPR後到達全反射裝置14，反射光經過全反射裝置兩次全反射後，再--次 垂直克萊切曼結構13的等腰稜鏡右邊工作面到達其底部，並在金屬薄膜與待測 液體介質界面上第二次激勵SPR;兩次激勵SPR後的反射光，經過收集光的光 纖準直器12耦合到達傳感光支路光電轉換器10。從Y形保偏光纖耦合器4的 參考光支路保偏光纖準直器6出來的光，耦合到達參考光支路光電轉換器7。 經參考光支路光電轉換器7與傳感光支路光電轉換器10將光信號轉換為電信號 後，電信號送入放大器及A/D轉換器9，放大並進行模數轉換，轉換後的數字 信號送入數據處理裝置11進行數據處理。
脈衝雷射器1的脈衝信號由脈衝信號發生器8提供，脈衝信號發生器同時 為數據處理裝置11提供採集數據的同步信號。數據處理裝置11處理數據的主 要運算之一是求得參考光支路有光與無光時的電壓信號差，及傳感光支路有光 與無光時的電壓信號差的比值，即
J7 =_!5----^_
式中，^是電壓信號差的比值，^和Fk分別是傳感光支路和參考光支路有光 時的電壓信號，K和R分別是傳感光支路和參考光支路無光時的電壓信號。
由於Y形保偏光纖耦合器4的分光比為1:1，因此，經過這種運算後所得 到的電壓信號差的比值&基本上消除了參考光支路光電轉換器7和傳感光支路光電轉換器10的溫漂和脈衝雷射器光源強度波動的影響，從而提高了測試系統
的靈敏度。
實現上述運算，主要是數據處理裝置控制和數據處理流程軟體完成的，其
數據處理裝置控制和數據處理流程圖，如圖8所示。所述的控制和數據處理流程
為
(1) 、上電開始，測量系統初始化。
(2) 、判斷有測量按鍵信號嗎？否(N)，則返回繼續判斷有測量按鍵信號 嗎？是(Y)，檢測到同步信號的高電平，啟動A/D轉換命令，採樣，記錄rm 和K。
(3) 、判斷採樣結束了嗎？否(N)，則返回繼續檢測同步信號的高電平， 檢測到同步信號的高電平後，啟動A/D轉換命令，採樣，記錄4和Kk。是(Y)， 檢測到同步信號的低電平，啟動A/D轉換命令，採樣，記錄K和K,。
(4) 、判斷採樣結束了嗎？否(N)，則返回繼續檢測同步信號的低電平， 檢測到同歩信號的低電平後，啟動A/D轉換命令，採樣，記錄^和^是(Y)， 做減法和除法運算(K-Km)/(FrKk)，顯示運算後電壓信號差的比值^的結果， 結束本次測試。
(5) 、關機結束。
圖2所示， 一束入射光兩次激勵SPR裝置結構示意圖；在一束入射光兩次 激勵SPR的結構中，假設等腰稜鏡和被測液體介質的折射率分別為"3和…， 金屬膜的復折射率為^，"為金屬膜的厚度，義o為光在真空中的波長，A為光 在等腰稜鏡和金屬膜界面的入射角，A為光在金屬膜和被測量液體介質界面的 折射角，"2和"為實量，那麼，光強總反射率W為
formula see original document page 10式中，化2 +[2">2 cos《+",v2]2
tanpp 二 2"cos《
2A:2w2 —(l — &22)v
(1 +《)2 cos2《—n2 +《) 二[《(1 —A:22)cos《—n3w，]2 +[2/7>2 cos《_"3v2]2 AJ[《(1-A:22)cos03 + w3w2]2 +[2"〗A:2 cos03 +"3v2]2
2A:2w2 - (1 —A22)v2
+A:22)2 cos2《-";(z^ +《) /7 二 2;T(i/義o
具體實施中，應當注意作為傳感光支路保偏光纖準直器5的自聚焦透鏡501， 在等腰稜鏡1301左邊工作面的粘接位置，應當能保證兩次激勵SPR的位置不能 發生在等腰稜鏡1301底部的邊緣處。等腰稜鏡1301的兩個底角的角度值一定是 大於所測量溶液對應的最小折射率與等腰稜鏡1301的折射率計算的全反射臨界 角的某一個角度值，計算全反射臨界角時，只要測量溶液對光的吸收很小，則 可不考慮金屬膜，按斯涅耳(Snell)定律，用等腰稜鏡1301的折射率和被測量 液體介質的折射率計算即可；等腰稜鏡1301的兩個底角的角度值也可以是根據 實際測量環境所選擇的標準溶液所對應的共振角度。這樣可以使得測量光垂直 等腰稜鏡1301的兩個工作面進出，使得待測液體折射率始終處於系統檢測的高 靈敏度階段，使測量過程簡化，具體確定方法參考圖3。
圖3所示，根據式(l)計算得到的四種不同濃度的液體a、 b、 c和d對應的SPR 角度譜曲線圖，四種不同濃度液體的折射率滿足M^"b^^"d。從圖3可以看出， 隨著待測液體a (圖中點線)、b (圖中實線)、c (圖中虛線)和d (圖中點劃 線)的折射率依次增大，激勵SPR入射光的入射角度A、 &、 &、 0d依次從56.8 °增大到59.4。。因此，若將待測液體a所對應的共振角度A作為固定的入射角， 那麼，四種液體所對應的光強反射率依次從0.01增大到0.76，其變化量相對於共振角度的改變量更大，測量靈敏度更高。
圖4所示，全反射等腰直角稜鏡與克萊切曼結構中的等腰稜鏡為一體的結構 示意圖，克萊切曼結構13的等腰稜鏡1301的底部鍍有金屬膜1302，全反射等腰 直角稜鏡14與等腰稜鏡1301的材料相同，並製作成一體。
圖5所示，全反射等腰直角稜鏡與克萊切曼結構中的等腰稜鏡用膠粘在一 起的結構示意圖，克萊切曼結構13的等腰稜鏡1301的底部鍍有金屬膜1302， 全反射等腰直角稜鏡14的斜面與等腰稜鏡1301右邊的工作面用膠粘在一起。
圖6所示，全反射等腰直角稜鏡與克萊切曼結構中的等腰稜鏡之間具有一 定間隙的結構示意圖，克萊切曼結構13的等腰稜鏡1301的底部鍍有金屬膜 1302，全反射等腰直角稜鏡14的斜面與等腰稜鏡1301右邊的工作面保持一定 的間隙。
由實驗結果可知，TM光波經過全反射等腰直角稜鏡14兩次全反射後的反 射光仍為TM光波。因此，以上所述全反射等腰直角稜鏡14與克萊切曼結構 13中的等腰稜鏡1301，除一體結構外，對於放置結構，在具體實施過程中，都 要保證全反射等腰直角稜鏡14的斜面與等腰稜鏡1301右邊的工作面保持平行。 這樣，第一次激勵SPR後的反射光，對於全反射等腰直角稜鏡14而言仍為TM 光波，該光波經過全反射等腰直角稜鏡14兩次全反射後，就會垂直等腰稜鏡 1301右邊的工作面到達其底部，並在底部的金屬薄膜與待測液體介質界面上， 第二次激勵SPR。
圖7所示，全反射裝置為一對平面反射鏡的結構示意圖，全反射裝置14 還可以是一對平面反射鏡1401。
由實驗結果可知，TM光波經過一對平面反射鏡1401兩次全反射後的反射 光仍為TM光波。因此，在具體實施過程中要保證一對平面反射鏡1401的鏡面 與等腰稜鏡1301右邊的工作面成45。角放置。這樣，第一次激勵SPR後的反 射光，對於一對平面反射鏡1401而言仍為TM光波，該光波經過-一對平面反射鏡1401兩次全反射後，能垂直等腰稜鏡1301右邊的工作面到達其底部，並在 底部的金屬薄膜與待測液體介質界面上，第二次激勵SPR。
另外，在具體實施中還要注意與Y形保偏光纖耦合器4連接的傳感光支路 保偏光纖準直器5的偏振光振動方向，須與克萊切曼結構13中的等腰稜鏡1301 左邊工作面的入射面保持平行。這樣，才能提高入射光在等腰稜鏡1301底部的 金屬薄膜1302與待測液體介質1303的界面上激勵SPR的效率，從而提高測量 的靈敏度。
本發明一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，通過實驗得到標準 液體所對應的光強反射率，採用數據處理裝置對所測液體與標準液體所對應的 光強反射率進行比較處理，就可得到被測液體的折射率。
本發明一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，還可實現對液體的 溫度、濃度、壓力等參數的檢測。
權利要求
1、一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，包括由脈衝雷射器(1)與脈衝信號發生器(8)構成的雷射發射裝置、TM光波產生和傳輸的裝置、激勵SPR裝置、光波接收裝置、放大與A/D轉換及數據處理裝置，其特徵在於所述的激勵SPR裝置是一束入射光兩次激勵SPR裝置；所述的一束入射光兩次激勵SPR裝置由等腰稜鏡(1301)、金屬薄膜(1302)及待測量液體介質(1303)構成的克萊切曼結構(13)與全反射裝置(14)組成；其中●所述的TM光波產生和傳輸裝置包含P光起偏器(2)、TM光波保偏光纖準直器(3)、Y形保偏光纖耦合器(4)、傳感光支路保偏光纖準直器(5)與參考光支路保偏光纖準直器(6)；●所述的TM光波保偏光纖準直器(3)、傳感光支路保偏光纖準直器(5)、參考光支路保偏光纖準直器(6)與Y形保偏光纖耦合器(4)之間，採用保偏光纖連接器連接；●所述的光波接收裝置包含參考光支路光電轉換器(7)、收集光的光纖準直器(12)與傳感光支路光電轉換器10；●所述的放大與A/D轉換及數據處理裝置包含放大器及A/D轉換器(9)與數據處理裝置(11)；●由脈衝雷射器(1)發出的雷射經P光起偏器產生TM光波，TM光波被TM光波保偏光纖準直器(3)耦合到Y形保偏光纖耦合器(4)中，從Y形保偏光纖耦合器的傳感光支路保偏光纖準直器(5)出來的光，垂直克萊切曼結構(13)中的等腰稜鏡(1301)左邊工作面到達其底部，在底部的金屬薄膜與待測液體介質界面上，第一次激勵SPR後到達全反射裝置(14)，反射光經過全反射裝置兩次全反射後，再一次垂直克萊切曼結構(13)中的等腰稜鏡(1301)右邊工作面到達其底部，並在底部的金屬薄膜與待測液體介質界面上第二次激勵SPR；兩次激勵SPR後的反射光，經過收集光的光纖準直器(12)耦合到達傳感光支路光電轉換器(10)；從Y形保偏光纖耦合器的參考光支路保偏光纖準直器(6)出來的光，耦合到達參考光支路光電轉換器(7)；經參考光支路光電轉換器與傳感光支路光電轉換器將光信號轉換為電信號後，電信號送入放大器及A/D轉換器(9)，放大並進行模數轉換，轉換後的數位訊號送入數據處理裝置(11)進行數據處理。
2、 根據權利要求1所述的一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，其 特徵在於所述的Y形保偏光纖耦合器(4)有一個光信號輸入端及兩個輸出端， 兩個輸出端的分光比是l:l。
3、 根據權利要求1所述的一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液休折射率傳感器，其 特徵在於所述的全反射裝置(i4)是一個全反射等腰直角稜鏡，全反射等腰 直角稜鏡與等腰稜鏡(1301)的材料相同，並製作成一體。
4、 根據權利要求1所述的一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，其 特徵在於所述的全反射裝置(14)是一個全反射等腰直角稜鏡，全反射等腰 直角稜鏡與等腰稜鏡(1301)的材料相同，並用膠粘結在一起的。
5、 根據權利要求1所述的一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，其 特徵在於所述的全反射裝置(14)是一個全反射等腰直角稜鏡，全反射等腰 直角稜鏡與等腰稜鏡(1301)的材料相同，兩者之間留有間隙。
6、 根據權利要求1所述的一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，其 特徵在於所述的全反射裝置(14)是一對放置的平面反射鏡(1401)。
7、 根據權利要求1所述的一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，其 特徵在於傳感光支路保偏光纖準直器(5)的自聚焦透鏡(501)、收集光的光 纖準直器(12)的自聚焦透鏡(1201 )與克萊切曼結構(13)中的等腰稜鏡(1301 ) 左邊的工作面是用膠粘結在一起。
8、 根據權利要求1所述的一種稜鏡SPK"靈敏度光纖液體折射率傳感器，其 特徵在於所述的數據處理裝置還包括控制和數據處理軟體，控制和數據處理軟體的流程為(1)、上電開始，測量系統初始化； (2) 、判斷有測量按鍵信號嗎？否(N)，則返回繼續判斷有測量按鍵信號 嗎？是(Y)，檢測到同步信號的高電平，啟動A/D轉換命令，採樣，記錄K和 「"(3) 、判斷採樣結束了嗎？否(N)，則返回繼續檢測同步信號的高電平， 檢測到同步信號的高電平後，啟動A/D轉換命令，採樣，記錄K和K;是(Y)， 檢測到同步信號的低電平，啟動A/D轉換命令，採樣，記錄K和K;(4) 、判斷採樣結束了嗎？否(N)，則返回繼續檢測同步信號的低電平，檢測到同步信號的低電平後，啟動A/D轉換命令，採樣，記錄K和K;是(Y)，做減法和除法運算(K-K;)/(K-K)，顯示運算後電壓信號差的比值K的結果， 結束本次測試；(5) 、關機結束。
全文摘要
本發明涉及一種稜鏡SPR高靈敏度光纖液體折射率傳感器，其主要特點是雷射經P光起偏器、保偏光纖準直器耦合到Y形保偏光纖耦合器中，從傳感光支路保偏光纖準直器出來的光兩次激勵SPR，兩次激勵SPR後的反射光到達傳感光支路光電轉換器；從參考光支路光纖準直器出來的光，耦合到達參考光支路光電轉換器；參考光支路光電轉換器與傳感光支路光電轉換器將光信號轉換為電信號後送入放大器及A/D轉換器，轉換後的數位訊號送入數據處理裝置進行數據處理。本發明結構簡單，減少了P光的能量損耗，提高了信噪比和靈敏度，可長距離使用。
文檔編號G01N21/55GK101526474SQ200910073960
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月16日 優先權日2009年3月16日
發明者張志偉, 武志芳, 溫庭敦 申請人:中北大學