基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置及其参数优化方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的折射率传感装置，包括宽带光源、起偏器、偏振控制器、光隔离器、由极大倾角长周期光纤光栅及金属膜形成的传感探头以及光谱分析仪。宽带光源产生宽波段入射光，经起偏器、偏振控制器和光隔离器后输出单一偏振光，并导入至参数优化的传感探头中，偏振光在传感探头中耦合至低阶或高阶偏振包层模式并在输出端产生相应的谐振峰；其中，s偏振光仅耦合至s偏振低阶或高阶包层模式，p偏振光耦合至低阶或高阶p偏振包层模式并在金属膜内激励起等离子体共振波；通过光谱分析仪记录输出光谱的谐振波长随待测样品折射率的变化情况，实现待测样品检测。本发明专利技术传感装置有效增强了待测样品与表面等离子体共振波的互作用程度，提升传感灵敏度和分辨率。

Sensing device based on surface plasmon resonance of inclined fiber Bragg grating and its parameter optimization method

The invention provides a refraction of tilted fiber grating surface plasmon resonance sensing device based on rate, including broadband light source, polarizer, polarization controller, optical isolator, the maximum angle of long period fiber grating and a metal film formed by the sensing probe and spectrum analyzer. Wide band broadband light source incident light, output light by single polarizer, polarization controller and optical isolator, and introduced into the parameter optimization of the sensing probe, polarized light on the sensing probe is coupled to the low order or higher order polarization cladding mode and generates a corresponding output in Xie Zhenfeng; among them, only the coupling of S polarized light to s polarization low order or higher order cladding mode, P polarized light is coupled to the low order or higher order cladding mode and p polarization excited plasmon resonance wave in metal film; the resonant wavelength spectrum analyzer to record the output spectrum with the measured changes in refractive index, sample detecting. The sensor device can effectively enhance the interaction between the sample and the surface plasmon resonance wave, and improve the sensitivity and resolution of the sensing.

【技术实现步骤摘要】
基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置及其参数优化方法
本专利技术涉及光纤光栅生化医学传感器设计领域，尤其涉及一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置及其参数优化方法。
技术介绍
生化传感技术在快速诊断、在体检测、环境监测等领域具有重要的研究意义和广泛的应用需求。探索传感新机制，研制新型生化传感器件，从而拓宽生化传感器件应用领域、提高其传感检测灵敏度和传感精度，现已成为促进相关行业发展的迫切要求。目前广泛使用的生化传感器件中，基于电化学检测的传感器应用较多。但此类传感器难以实现实时快速在体(在线)监测，便携性较差，需要特异性标记等，不能实时提供待测样品参量的变化情况，因此高精度实时在线传感检测成为未来生化传感应用的发展趋势。光纤传感技术以微米量级的光纤作为物理传输媒介，以光波作为信息传输和检测的载体，具有体积小、重量轻、在线复用性好、灵敏度高、响应速度快、生物兼容性强、抗电磁干扰等优异特性，成为近二十年来最具发展前景的生化传感技术之一。在已报道的众多光纤生物传感器中，光纤光栅表面等离子体共振传感器成为近些年的研究热点。通过在光栅区域的表面涂敷金、银、铜等金属薄膜，满足频率匹配的包层模式会在金属膜内激励起表面等离子体共振波，其电磁场分布渗透至待测样品中并以指数规律衰减。相比于其他光纤模式，如纤芯模式和包层模式，等离子体共振波与待测样品具有更强的相互作用，从而具有更高的传感灵敏度和传感精度。为有效地在光纤光栅表面激励起等离子体共振波，目前广泛采用的两种方法为：基于倾斜布拉格光纤光栅的表面等离子体共振和基于长周期光纤光栅的表面等离子体共振。倾斜布拉格光纤光栅通常为具有倾角为7°～10°光栅结构的短周期光纤光栅，能够在相位匹配条件下将纤芯导模耦合至反向传输的纤芯导模和众多包层模式，满足频率匹配的包层模式会激励起表面等离子体共振波。由于待测样品的温度变化对纤芯导模的影响较小，而表面等离体共振波对待测样品的折射率变化非常灵敏，因此基于倾斜布拉格光纤光栅的表面等离子体共振传感器可同时实现温度和折射率的区分测量。然而，基于倾斜布拉格光纤光栅表面等离子体共振传感器的模式耦合机制在机理上决定了其最大传感灵敏度不能高于其光栅周期，因此该类型传感器的典型灵敏度通常在550nm/RIU左右(OpticsExpress,23(3),pp.2918-2932,2015)，这在一定程度上限制了该类型传感器在痕量待测样品变化中的应用。长周期光纤光栅(longperiodfibergrating，LPFG)由周期为几百微米量级的光栅组成，能够实现纤芯导模和同向传输高阶包层模之间的模式耦合，从而在光栅区域表面的金属膜内激励起等离子体共振波。由于高阶包层模式更易受外界环境变化的影响，因此长周期光纤光栅表面等离子体共振传感器具有比布拉格光纤光栅传感器更高的传感灵敏度。同时，通过在长周期光纤光栅中引入倾斜光栅结构，如光栅倾角高于80°的极大倾角长周期光纤光栅，可进一步实现纤芯导模和高角向参数包层模式的强耦合，从而利用高角向参数包层模式来激励起表面等离子体共振波。与低角向参数包层模式相比，高角向参数包层模式的模场分布进一步延伸至待测环境中，从而提高了对待测样品的感知能力。然而，目前基于长周期光纤光栅的表面等离子体共振传感器中，广泛使用的是常规的传感器结构设计(IEEEPhotonicsTechnologyLetter,27(1),pp.46-49,2015；OpticsExpress,21(12),pp.13875-13895,2013)，并未采用高角向参数包层模式来激励起表面等离子体共振波，因此不能进一步提升其灵敏度，限制了其在高灵敏高分辨率需求等生化传感领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，通过在低折射率区域优化传感装置的参数，利用低阶或高阶包层模式在光栅表面的金属膜内激励起表面等离子体共振波，从而增强了待测样品与表面等离子体共振波的互作用程度，提升了传感装置的检测灵敏度和分辨率，同时更有效地利用了光谱资源。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，包括：一宽带光源，用于产生一定宽波段的入射光；一起偏器，用于将所述宽带光源形成的入射光偏振为单一偏振方向的偏振光；其中，所述偏振光为p偏振光和s偏振光；一偏振控制器，用于允许所述单一偏振方向的偏振光通过；一光隔离器，用于阻止与所述单一偏振方向的偏振光传播方向相反的光通过；一由极大倾角长周期光纤光栅及其光栅区域表面涂覆有金属膜构成的传感探头，所述传感探头放置于具有待测样品的一反应池中，其一端通过光纤跳线与所述光隔离器相连，用于接收所述单一偏振方向的偏振光，在所述极大倾角长周期光纤光栅内将所述单一偏振方向的偏振光耦合至高阶或低阶偏振包层模式，并产生相应的谐振峰；其中，所述s偏振光仅耦合至s偏振高阶或低阶包层模式后，与所述反应池内的待测样品发生相互作用；所述p偏振光耦合至高阶或低阶p偏振包层模式，并进一步在所述金属膜内激励起与所述待测样品密切相关的表面等离子体共振波后，且与所述反应池内的待测样品发生相互作用；一光谱分析仪，所述光谱分析仪通过光纤跳线与所述传感探头的另一端相连，用于记录所述传感探头的输出光谱随所述待测样品参数变化的变化情况，并通过确定所述传感探头输出光谱的谐振波长随所述待测样品参数变化的漂移范围来实现对所述待测样品的检测。其中，所述s偏振包层模式包括角向偏振的TE0,j和HEv,j(v＝1,2,3…)模式；所述p偏振包层模式包括径向偏振的TM0,j和EHv,j(v＝1,2,3…)模式，且TM0,j和EHv,j(v＝1,2,3…)模式均能在所述极大倾角长周期光纤光栅表面的金属膜内激励起表面等离子体共振波。其中，所述金属膜为纳米量级的金膜、银膜、铝膜或铜膜，其厚度介于40nm～60nm之间。其中，所述金属膜通过磁控溅射方式镀于所述极大倾角长周期光纤光栅的光栅区域表面。其中，所述极大倾角长周期光纤光栅(为光栅倾角为81°的长周期光纤光栅，光纤纤芯半径为4.15μm，光纤包层半径介于40μm～62.5μm之间，纤芯折射率比包层折射率高0.36％，光栅周期介于177μm～277μm之间，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅长度为40mm～50mm。其中，所述宽带光源输出的入射光为包括1500nm～1600nm波段的红外光。本专利技术实施例还提供了一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置参数优化方法，其在前述的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置中实现，所述方法包括以下步骤：S1、获得偏振输入光：宽带光源输出包含近红外波段的宽波段输入光，依次进入至起偏器、偏振控制器和光隔离器后，输出为单一偏振方向的p偏振光或s偏振光；其中，所述p偏振光的电场分量平行于极大倾角长周期光纤光栅的光栅写制方向，所述s偏振光的电场分量垂直于所述极大倾角长周期光纤光栅的光栅写制方向，且所述p偏振光和所述s偏振光相互正交，不会发生模式耦合。所述p偏振光的归一化电磁场分量可表示为：其中v＝0,1,2...表示模式角向参数，l＝1,2,3...表示模式次数。将式中参量(vφ)转换为(vφ-π/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，其特征在于，包括：一宽带光源(1)，用于产生一定宽波段的入射光；一起偏器(2)，用于将所述宽带光源(1)形成的入射光偏振为单一偏振方向的偏振光；其中，所述偏振光为p偏振光和s偏振光；一偏振控制器(3)，用于允许所述单一偏振方向的偏振光通过；一光隔离器(4)，用于阻止与所述单一偏振方向的偏振光传播方向相反的光通过；一由极大倾角长周期光纤光栅(51)及其光栅区域表面涂覆有金属膜(52)构成的传感探头(5)，所述传感探头(5)放置于具有待测样品的一反应池(6)中，其一端通过光纤跳线与所述光隔离器(4)相连，用于接收所述单一偏振方向的偏振光，在所述极大倾角长周期光纤光栅(51)内将所述单一偏振方向的偏振光耦合至高阶或低阶偏振包层模式，并产生相应的谐振峰；其中，所述s偏振光仅耦合至s偏振高阶或低阶包层模式后，与所述反应池(6)内的待测样品发生相互作用；所述p偏振光耦合至高阶或低阶p偏振包层模式，并进一步在所述金属膜(52)内激励起与所述待测样品密切相关的表面等离子体共振波后，且与所述反应池(6)内的待测样品发生相互作用；一光谱分析仪(7)，所述光谱分析仪(7)通过光纤跳线与所述传感探头(5)的另一端相连，用于记录所述传感探头(5)的输出光谱随所述待测样品参数变化的变化情况，并通过确定所述传感探头(5)输出光谱的谐振波长随所述待测样品参数变化的漂移范围来实现对所述待测样品的检测。...

【技术特征摘要】
1.一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，其特征在于，包括：一宽带光源(1)，用于产生一定宽波段的入射光；一起偏器(2)，用于将所述宽带光源(1)形成的入射光偏振为单一偏振方向的偏振光；其中，所述偏振光为p偏振光和s偏振光；一偏振控制器(3)，用于允许所述单一偏振方向的偏振光通过；一光隔离器(4)，用于阻止与所述单一偏振方向的偏振光传播方向相反的光通过；一由极大倾角长周期光纤光栅(51)及其光栅区域表面涂覆有金属膜(52)构成的传感探头(5)，所述传感探头(5)放置于具有待测样品的一反应池(6)中，其一端通过光纤跳线与所述光隔离器(4)相连，用于接收所述单一偏振方向的偏振光，在所述极大倾角长周期光纤光栅(51)内将所述单一偏振方向的偏振光耦合至高阶或低阶偏振包层模式，并产生相应的谐振峰；其中，所述s偏振光仅耦合至s偏振高阶或低阶包层模式后，与所述反应池(6)内的待测样品发生相互作用；所述p偏振光耦合至高阶或低阶p偏振包层模式，并进一步在所述金属膜(52)内激励起与所述待测样品密切相关的表面等离子体共振波后，且与所述反应池(6)内的待测样品发生相互作用；一光谱分析仪(7)，所述光谱分析仪(7)通过光纤跳线与所述传感探头(5)的另一端相连，用于记录所述传感探头(5)的输出光谱随所述待测样品参数变化的变化情况，并通过确定所述传感探头(5)输出光谱的谐振波长随所述待测样品参数变化的漂移范围来实现对所述待测样品的检测。2.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，其特征在于，所述s偏振包层模式包括角向偏振的TE0,j和HEv,j(v＝1,2,3…)模式；所述p偏振包层模式包括径向偏振的TM0,j和EHv,j(v＝1,2,3…)模式，且TM0,j和EHv,j(v＝1,2,3…)模式均能在所述极大倾角长周期光纤光栅(51)表面的金属膜(52)内激励起表面等离子体共振波。3.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，其特征在于，所述s偏振光经所述传感探头(5)后输出光谱的谐振波长在所述待测样品参数变化时保持不变，所述p偏振光经所述传感探头(5)后输出光谱的谐振波长随所述待测样品参数变化而发生漂移。4.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，其特征在于，所述金属膜(52)为纳米量级的金膜、银膜、铝膜或铜膜，其厚度介于40nm～60nm之间。5.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，其特征在于，所述金属膜(52)通过磁控溅射方式镀于所述极大倾角长周期光纤光栅(51)的光栅区域表面。6.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，其特征在于，所述极大倾角长周期光纤光栅(51)为光栅倾角为81°的长周期光纤光栅，光纤纤芯半径为4.15μm，光纤包层半径介于40μm～62.5μm之间，纤芯折射率比包层折射率高0.36％，光栅周期介于177μm～277μm之间，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅长度为40mm～50mm。7.如权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置，其特征在于，所述宽带光源(1)输出的入射光为包括1500nm～1600nm波段的红外光。8.一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置参数优化方法，其特征在于，其在如权利要求1-7中任一项所述的基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置中实现，所述方法包括以下步骤：S1、获得偏振输入光：宽带光源输出包含近红外波段的宽波段输入光，依次进入至起偏器、偏振控制器和光隔离器后，输出为单一偏振方向的p偏振光或s偏振光；其中，所述p偏振光的电场分量平行于极大倾角长周期光纤光栅的光栅写制方向，所述s偏振光的电场分量垂直于所述极大倾角长周期光...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志红，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33