本发明专利技术公开了光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器及方法，光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器，包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层，其特征在于：所述光纤纤芯的前段设置长周期光纤光栅，在光纤的中段位于光纤纤芯和光纤包层的交界面设置光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅由若干条线状沟槽构成或者由若干个点状凹槽构成；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅对应的光纤包层的外表面吸附有硅烷层；本发明专利技术可广泛应用于生物、化工、医学、生命科学等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤传感器，具体涉及光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感 器及其制作方法。
技术介绍
光纤光栅生化信息传感器的基本原理都是通过测量外部介质折射率的微小变化 量，间接的估算被测参量的值或评估生化过程参量的状态信息。 光纤光栅包括光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅两种基本类型。其中，长周期光 纤光栅是将纤芯模到同向包层模，包层模的倏逝场能够受到外部待测介质的影响导致其谐 振波长或强度的变化进行测量。但是，长周期光纤光栅不仅对折射率十分的敏感，而且对温 度、应变等物理参数也十分的敏感，因此当将其应用于生化方面的传感时，会存在严重的交 叉敏感问题；此外，长周期光纤光栅的3dB谐振带宽一般>20nm，因此理论上其对外部参量 的检测精度较低。 而光纤Bragg光栅是同向纤芯基模到反向纤芯基模的親合，其倏逝场的能量仅仅 局限于纤芯的内部，因此它本质上对折射率不敏感，仅对温度、应变或压力敏感，但是光纤 Bragg光栅的3dB谐振带宽很窄（0.lnm~0. 5nm)，因此，理论上其对外部参量的检测精度 很高；此外，光纤Bragg光栅的温度/应变灵敏度较长周期的温度/应变灵敏度低得多，因 此其交叉敏感效应很小。过去十多年，为了使得传统光纤Bragg光栅对外部介质折射率敏 感，许多人采用化学溶液腐蚀或侧面研磨的方法去除光纤Bragg光栅的全部包层或大部分 包层，形成微米直径量级的Bragg光栅（直径3μπι~15μπκ长度1mm~20mm)，于是可使其 纤芯模的倏逝场透射到外部待测介质中，则光纤Bragg光栅将对外部介质折射率的变化将 十分敏感，从而可将其应用于生物化学、医学、生命科学等相关领域的各种参量和检测。但 化学腐蚀或侧面研磨光纤Bragg光栅包层的方法存在许多的缺点。 2007年，英国Aston大学的I.Bennion等使用800nm的飞秒激光器在单模光纤的 纤芯内成功的写入了一阶、二阶和四阶的Bragg光栅，该方法能够直接造成光纤纤芯内部 或表面的周期性结构性损坏点，所构成的纤芯Bragg光栅具有许多特点，比如：1)对光纤材 料没有特殊的要求，不要求光纤具有光敏性，也不需要载氢处理等复杂耗时的处理过程；2) 可以方便快捷的写入所需的任何周期的Bragg光栅；3)由于是属于结构性的损坏且写入的 周期性结构不处于光纤的圆对称中心轴位置，因此写入的Bragg光栅具有很高的纤芯双折 射效应；4)由于光栅是纤芯内部的结构性损坏形式，因此引入的平均折射率变化幅度较传 统的紫外曝光法写入的光栅大得多，所以仅制作很少的光栅周期即可获得很高的光谱反射 率。飞秒激光器刻写的这类光纤Bragg光栅具有一些特殊的传感特性，比如：可在极高的温 度（800°C)以上保持良好的温度线性特性。但是，由于光纤中的光大部分是局限在纤芯内 传播，无法到达包层表面，因此，飞秒激光刻写在纤芯的内部的Bragg光栅，仍然与传统的 紫外曝光的相位掩膜板法写入纤芯的光纤Bragg光栅一样，本质上对外部介质折射率不敏 感。 为综合解决长周期光纤光栅或腐蚀/研磨型光纤Bragg光栅存在的问题，2010年M. Han等提出基于"长周期光纤光栅-光纤Bragg光栅"组合式的折射率-温度传感器，利 用其中的光纤Bragg光栅的包层模实现折射率的传感，它的原理是：带宽光源发出的宽带 光先经过长周期光纤光栅，然后再传输到光纤Bragg光栅；当光传输到长周期光纤光栅处， 部分纤芯模的能量将耦合到包层模中传播，当这部分以包层模形式传输的光能量与余下纤 芯模的能量传播到光纤Bragg光栅处时，分别满足光纤Bragg光栅的包层模和纤芯模谐振 条件的波长的光能量将被反射回来；同样的，反射回来的包层模传输到长周期光纤光栅时， 将部分耦合至纤芯中，反射回来的纤芯模传输到长周期光纤光栅时将部分能量耦合到包层 中传输，剩余的纤芯模能量穿过长周期光纤光栅继续传输，于是在反射端可以检测到两个 谐振峰，前者对温度与折射率均敏感，而后者仅对温度敏感，且有几乎相同的温度灵敏度。 基于"长周期光纤光栅-光纤Bragg光栅"组合式的折射率-温度传感器的优点在于能够 对折射率和温度同时传感，并且保持了光纤Bragg光栅的窄带谐振峰的特点，提高了对折 射率的传感精度，此外，不需要对光纤做任何处理，保持传感器的完整性和鲁棒性。但其缺 点是：其中的光纤Bragg光栅采用的是传统的紫外曝光相位掩膜法制作，且需要使用具有 对光子敏感的包层的特种光纤材料来制作光纤Bragg光栅，以保证在写入纤芯Bragg光栅 的同时，在包层和纤芯的交界面附近形成包层内部的Bragg光栅，但该方法形成的包层内 部的Bragg光栅的强度很小，因此包层模谐振的反射强度十分低，而且包层模和纤芯模的 Bragg波长经过长周期光纤光栅的两次能量耦合，因此在反射端检测到的反射包层模和纤 芯模的谐振强度也十分微弱。
技术实现思路
针对上述已有技术存在的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题在于提供光纤纤芯和 包层交界面的Bragg光栅生化传感器及其制作方法。 为了解决上述技术问题，根据本专利技术的第一个技术方案，光纤纤芯与包层交界面 的Bragg光栅生化传感器，包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层，其特征在于：所述光 纤纤芯的前段设置长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅作为光纤纤芯和光纤包层的光共振 耦合器，用于将纤芯模耦合到同向包层模或将包层模耦合到纤芯模；在光纤的中段位于光 纤纤芯和光纤包层的交界面设置光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅；该光纤纤芯与包层 交界面的Bragg光栅由若干条线状沟槽构成或者由若干个点状凹槽构成；所述线状沟槽或 点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布，并对光纤纤芯外表面和包层内表面均进行结构 性损坏；所述线状沟槽的槽道沿光纤纤芯的圆周方向延伸，所有线状沟槽的轴对称线在一 条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；所有点状凹槽的中心点位于一条直线上，且该直线 与光纤中心轴平行；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅同时作为光纤低阶包层模谐振 与纤芯模谐振的反射器件；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅对应的光纤包层的外表 面吸附有硅烷层，其余光纤包层的外表面涂覆有光纤保护涂覆层；所述硅烷层的表面固定 有适体层，该适体层对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性。 本传感器结构独特之处在于采用在光纤纤芯与包层交界面设置光纤纤芯与包层 交界面的Bragg光栅，作为外部介质折射率和温度同时测量的传感单元，该光纤纤芯与包 层交界面的Bragg光栅的低阶包层模的反射谐振对折射率和温度都敏感，特别对折射率很 敏感，同时保持了Bragg光栅结构的窄谐振带宽特性，因此具有很高的Q值因子，对折射率 的测量精度远高于长周期光纤光栅，而其纤芯基模的谐振仅对温度敏感；其次，在光纤纤芯 和包层交界面设置的光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅还保留了传统光纤Bragg光栅相 对于长周期光纤光栅低得多的温度、应变灵敏系数，因此，光纤纤芯与包层交界面的Bragg 光栅较长周期光纤光栅具有低得多的温度/应变交叉敏感效应。由于传感单元是由飞秒 激光器在其纤芯和包层的交界面写入的点状凹槽或线状沟槽，点状凹槽或线状本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅生化传感器，包括光纤纤芯(3)和包裹光纤纤芯(3)的光纤包层(2)，其特征在于：所述光纤纤芯(3)的前段设置长周期光纤光栅(4)；在光纤的中段位于光纤纤芯(3)和光纤包层(2)的交界面设置光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)；该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)由若干条线状沟槽构成或者由若干个点状凹槽构成；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布；所述线状沟槽的槽道沿光纤纤芯圆周方向延伸，该光纤纤芯与包层交界面的Bragg光栅(5)对应的光纤包层的外表面吸附有硅烷层(6)，其余光纤包层的外表面涂覆有光纤保护涂覆层(1)；所述硅烷层(6)的表面固定有适体层(7)，该适体层(7)对目标生物分子或待测化学成分具有选择性吸收或敏感的特性。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：罗彬彬，赵明富，钟年丙，陈立功，白军，石胜辉，肖汉光，邹雪，张建强，周登义，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。