环形芯光纤SPR传感器制造技术

本发明专利技术提供的是一种环形芯光纤SPR传感器。其特征是：它由输入光纤，环形芯光纤，SPR传感纳米膜和输出光纤组成。所述系统中：环形芯光纤经过侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀，去除部分包层，在侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀区域制备一层SPR传感纳米膜，形成SPR传感区，输入光纤将光束耦合进环形芯内传输，光束传输至SPR传感区时，满足SPR谐振条件的光波发生谐振，实现SPR传感，携带传感信息的输出光耦合进输出光纤输出。本发明专利技术可用于液体环境的折射率变化的传感测量，可广泛用于生物化学传感技术领域。

Ring Core Optical Fiber SPR Sensor

The invention provides an annular core optical fiber SPR sensor. It is characterized by: it consists of input optical fiber, ring core optical fiber, SPR sensing nanofilm and output optical fiber. In the system, the annular core optical fiber passes through side polishing or hydrofluoric acid corrosion, removes part of the cladding, prepares a layer of SPR sensing nanofilm in the side polishing or hydrofluoric acid corrosion area, forms a SPR sensing area, and the input optical fiber couples the beam into the annular core for transmission. When the beam is transmitted to the SPR sensing area, the light wave satisfying the SPR resonance condition resonates, realizes the SPR sensing and carries the transmission. The output of sensing information is optically coupled into and out of optical fibers. The present invention can be used for the sensing measurement of refractive index change in liquid environment, and can be widely used in the field of biochemical sensing technology.

【技术实现步骤摘要】
环形芯光纤SPR传感器(一)
本专利技术涉及的是一种环形芯光纤SPR传感器，属于光纤传感
(二)
技术介绍
20世纪80年代，Kretschmann棱镜型SPR传感器在实验上被应用到了化学和生物学的检测当中，由于这个设计简单、方便，至今仍被人们广泛使用。尽管Kretschmann棱镜型SPR传感器性能稳定，但是由于其需要光学器件和机械组件配合工作，使得系统体积庞大，通常只适用于实验室检测，无法满足外部环境或狭小复杂环境的定点式检测；而且这类设备中需要精密的入射光角度调制组件，使得其成本非常高昂。因此，商业化的SPR设备(如Biacore，GEHealthcare)在生化检测应用上相比于其他同类的检测设备也不具备很强的竞争力。因此，虽然光纤SPR传感器的研究与应用较棱镜型SPR传感器要晚得多，但由于光纤SPR传感器采用光纤作为传输媒介，具有价格相对低廉、结构微小、稳定性好、灵活度高、可实现远程在线检测以及易于集成等特点，这就使得光纤SPR技术目前在化学、生物、环境以及医药领域都有着相当重要的研究价值，因而近年光纤SPR传感器也成为SPR传感研究领域的新热点。光纤SPR传感最早报道于1993年，Jorgenson采用多模纤光纤镀膜激发出SPR(JORGENSONR,YEES.,SensorsandActuatorsB:Chemical,1993,12(3):213-20.)，从而开启了光纤SPR传感研究的热潮。虽然基于多模光纤传输能量高，但由于在光纤中存在模式耦合、偏振态损失，但得到的共振谷浅而宽。为了解决以上问题，Slavik等人采用了微弯侧抛单模光纤的方案(SLAVíKR,HOMOLAJ,J.SensorsandActuatorsB:Chemical,1999,54(1):74-9.)。此外，为了提高SPR的激发效率，人们提出了在光纤上制备出各种不同的结构的方法。例如侧抛光纤增强泄露的消逝场，以增强SPR激发(PILIARIKM,HOMOLAJ,MAN1KOVZ,etal.,SensorsandActuatorsB:Chemical,2003,90(1):236-42.)；通过布拉格光纤光栅(HuT,ZhaoY,SongAN.,Sensors&ActuatorsBChemical,2016,237:521-525.)、长周期光纤光栅(HuHF,DengZQ,ZhaoY,etal.,IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2014,27(1):46-49.)等结构实现SPR激发；还有通过对多芯光纤进行端面研磨(LiuZ,WeiY,ZhangY,etal.,OpticsLetters,2015,40(12):2826-9.)，实现SPR激发。近年来，具备各种微结构的光纤的出现也为光纤SPR传感增添了各种可能性。MaciejNapiorkowski理论分析了一种微结构光纤的弯曲SPR共振光谱特性(NapiorkowskiM,UrbanczykW.,OpticsExpress,2013,21(19):22762-22772.)；苑立波等人提出螺旋多芯光纤SPR传感器(CN105954236A)；ZhihaiLiu等人提出采用多芯光纤用作多通道的SPR生物传感器，实现了单个传感光纤的多成分生物传感(LiuZ,WeiY,ZhangY,etal.,Sensors&ActuatorsBChemical,2016,226:326-331.)。随着待测目标参量种类和特性的多样化及对低浓度微量物质传感的高灵敏度要求，使得传统光纤SPR传感已逐渐无法满足实际检测的需要。随着监测的可靠性和实时性要求越来越高，如何进一步有效地提高系统探测的灵敏度，以及降低检测的成本与克服环境变化干扰的影响都成为SPR传感研究领域亟待解决的问题。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构简单紧凑、传感灵敏度高的环形芯光纤SPR传感器。本专利技术的目的是这样实现的：一种环形芯光纤SPR传感器。它由输入光纤，环形芯光纤，SPR传感纳米膜和输出光纤组成。所述系统中：环形芯光纤经过侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀，去除部分包层，在侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀区域制备一层SPR传感纳米膜，形成SPR传感区，输入光纤将光束耦合进环形芯内传输，光束传输SPR传感区时，满足SPR谐振条件的光波发生谐振，实现SPR传感，携带传感信息的输出光耦合进输出光纤输出。所述的输入光纤可以是单模光纤，与环形芯光纤偏置对芯焊接，向环形芯光纤内输入光束；输入光纤也可以是具有偏置纤芯的偏芯光纤，和环形芯光纤直接对芯焊接，向环形芯光纤内输入光束。所述的输入光纤可以是偏芯螺旋光纤，纤芯的螺旋螺距可以是等值的，也可以是啁啾变化的。所述的SPR传感纳米膜可以是单层的金属纳米膜，也可以是金属纳米膜和介质纳米膜一起构成的多层谐振膜。所述的传感纳米膜可以是金属纳米膜上沉积一层埃洛石纳米管涂层，增强SPR传感效应。所述的输出光纤可以是大芯径多模光纤，直接与环形芯焊接，输出传感信号光；也可以是单模光纤，和环形芯光纤焊接，并熔融拉锥，实现传感信号光耦合进单模光纤后输出。本专利技术具备以下的几点优势：(1)环形芯光纤内光束独特的螺旋传输方式能够实现SPR的有效激发，减小了光纤传感区的长度。(2)可以采用偏芯螺旋光纤来作为输入光纤，通过调节偏芯螺旋光纤的螺距来调节输入光的入射角度，从而优化SPR激发效率。(3)增加埃洛石纳米涂层作为SPR传感增敏层，能够有效提高环形芯光纤SPR传感的灵敏度。(四)附图说明图1(a)是环形芯光纤的端面结构，(b)为虚线处的折射率分布。图2为环形芯光纤SPR传感器的连接方式，采用的输入光纤是偏芯光纤2，偏芯光纤2和环形芯光纤1直接对芯焊接。输出光纤选用单模光纤3，采用熔融拉锥的方法和环形芯光纤连接，形成拉锥区4，从而输出传感光束。图3为环形芯光纤SPR传感器的连接方式，采用的输入光纤是标准单模光纤2-1，单模光纤2-1和环形芯光纤1偏置对芯焊接。图4为环形芯光纤SPR传感器的连接方式，采用的输入光纤为偏芯螺旋光纤2-2。图5为输入光束在环形芯光纤的环形芯中的两种传输方式，其中(a)为子午光线7传播路径，其沿着光纤轴向向前传输，(b)为偏斜光线8传播路径，其沿着环形芯螺旋向前传输。图6为高斯光束输入环形芯光纤后，光束传输的仿真结果。图7为具有θ＝5°的倾斜高斯光束输入环形芯光纤后，光束传输的仿真结果。图8为具有埃洛石纳米层的环形芯光纤SPR增敏传感原理图。图9为波长调制型环形芯光纤SPR传感系统示意图。图10为强度调制型环形芯光纤SPR传感系统示意图。(五)具体实施方式下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本专利技术。本专利技术采用环形芯光纤1作为SPR传感光纤，该光纤具有一个环形的高折射率纤芯波导1-1，和低折射率包层结构1-2，如图1所示，其中(a)表示环形芯光纤的端面结构图，(b)为虚线处的折射率分布。本专利技术提出的环形芯光纤SPR传感器如图2、图3和图4所示，其由环形芯光纤1、输入光纤偏芯光纤2(或单模光纤2-1、偏心螺旋光纤2-2)、输出单模光纤3和纳米金膜5组成。环形芯光纤1经过侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀，去除部分包层，露出环形纤芯。在侧面抛磨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环形芯光纤SPR传感器。其特征是：它由输入光纤，环形芯光纤，SPR传感纳米膜和输出光纤组成。所述组成中：环形芯光纤经过侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀，去除部分包层，在侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀区域制备一层SPR传感纳米膜，形成SPR传感区，输入光纤将光束耦合进环形芯内传输，光束传输至SPR传感区时，满足SPR谐振条件的光波发生谐振，实现SPR传感，携带传感信息的输出光耦合进输出光纤输出。

【技术特征摘要】
1.一种环形芯光纤SPR传感器。其特征是：它由输入光纤，环形芯光纤，SPR传感纳米膜和输出光纤组成。所述组成中：环形芯光纤经过侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀，去除部分包层，在侧面抛磨或者氢氟酸腐蚀区域制备一层SPR传感纳米膜，形成SPR传感区，输入光纤将光束耦合进环形芯内传输，光束传输至SPR传感区时，满足SPR谐振条件的光波发生谐振，实现SPR传感，携带传感信息的输出光耦合进输出光纤输出。2.根据权利要求1所述的一种环形芯SPR传感器。其特征是：所述的输入光纤可以是单模光纤，与环形芯光纤偏置对芯焊接，向环形芯光纤内输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，杨世泰，王婷，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45