光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置及光谱处理方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置及光谱处理方法包括以下步骤：获取传感装置在折射率匹配液中偏振无关SPR的反射光谱；基于所述在折射率匹配液中偏振无关SPR的反射光谱，获取空气中偏振无关TFBG反射光谱；基于所述空气中偏振无关TFBG反射光谱，获取空气中偏振无关TFBG透射光谱；基于所述空气中偏振无关TFBG透射光谱，获取在折射率匹配液中偏振无关SPR的透射光谱。本发明专利技术提出光谱优化处理，在不使用偏振控制器调节偏振的情况下，使用空气中的偏振无关反射光谱作为参考谱，有效地减小了S偏振分量占比。有效地减小了S偏振分量占比。有效地减小了S偏振分量占比。

【技术实现步骤摘要】
光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置及光谱处理方法


[0001]本专利技术涉及光学折射率传感检测领域，具体涉及光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置及光谱处理方法。

技术介绍

[0002]目前市场上的光纤表面等离子体共振传感器多采用D型光纤、楔形光纤、锥形光纤、异芯熔接、长周期光栅、倾斜光栅等结构，倾斜光栅表面等离子体共振传感器测量装置通常采用起偏器以及偏振控制器控制偏振态确保表面等离子体共振的产生。
[0003]对于基于传统的D型光纤、楔形光纤、锥形光纤等光纤表面等离子体共振传感器需要破坏光纤结构来产生较强的倏逝场进而产生表面等离子体共振，且该类传感器的传感波长范围在可见光波段，多使用卤钨灯光源，光源稳定性较差，且光纤结构的破坏在一定程度上也会影响传感的稳定性。
[0004]光纤倾斜光栅采用不用破坏光纤外部结构，将纤芯模耦合进包层产生包层模进而产生表面等离子体共振，由于倾斜光栅的周期性使其传感波长范围在通信波段，且倾斜光栅的光谱有多个窄线宽的高阶包层模式，能够较为准确地定位共振波长。因只有P偏振光才能激发表面等离子体共振，传统的倾斜光栅测量装置多采用起偏器以及偏振控制器控制光的偏振态，但其容易受外部扰动影响致使偏振态发生变化，导致光谱发生变化甚至SPR衰减包络消失。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提出了光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置及光谱处理方法，基于偏振复用原理对入射光偏振态进行正交转换，实现P偏振分量在倾斜光栅表面等离子体共振传感器中的恒定传输。利用偏振分束器得到相互正交的偏振分量，将偏振分束器的两个出射保偏光纤慢轴与倾斜光栅栅面平行实现倾斜光栅两端入射光均为P偏振光，有效利用光源偏振实现偏振无关性。基于相同原理，使用法拉第旋转镜代替偏振分束器，将输入偏振转换为与其正交的偏振态，获得P偏振和S偏振稳定占比。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置，包括：宽带光源、环形器、光谱仪和光偏振单元；
[0008]所述宽带光源、环形器和光偏振单元顺次连接；
[0009]所述环形器还与所述光谱仪连接；
[0010]所述光偏振单元用于所述宽带光源反向偏振。
[0011]优选的，所述光偏振单元包括偏振分束器、倾斜光栅传感结构、旋转夹具；
[0012]所述偏振分束器的一端与所述环形器连接；
[0013]所述偏振分束器的另一端通过两根保偏光纤分别与倾斜光栅传感结构的两端连接；
[0014]所述倾斜光栅结构两端均设置有旋转夹具。
[0015]优选的，将制备的所述倾斜光栅传感结构分别与所述偏振分束器的1端口和2端口熔接，在所述倾斜光栅传感结构上滴入不同折射率的折射率匹配液，表面等离子体共振反应随着折射率的增大，反应波长发生红移，实现对外部折射率的灵敏度传感。
[0016]优选的，所述光谱仪进行光谱测量的具体过程为：
[0017]发生表面等离子体共振的光谱会在特定SPR共振波长处出现一个衰减包络；
[0018]基于所述衰减包络，通过检测SPR共振波长随外界折射率变化，实现不同的折射率传感。
[0019]优选的，所述光偏振单元包括倾斜光栅传感结构和法拉第旋转镜；
[0020]所述环形器、所述倾斜光栅传感结构和所述法拉第旋转镜顺次连接。
[0021]优选的，所述环形器的1端口连接所述宽带光源传输非偏振光，所述环形器的2端口通过所述倾斜光栅传感结构连接所述法拉第旋转镜，所述法拉第旋转镜将输入光转换为相互正交的P偏振光和S偏振光，并使得P偏振光与S偏振光占比相同。
[0022]本专利技术还提供了光谱处理方法，所述方法是根据所述的光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置实现的，包括以下步骤：
[0023]获取传感装置在折射率匹配液中偏振无关SPR的反射光谱；
[0024]基于所述在折射率匹配液中偏振无关SPR的反射光谱，获取空气中偏振无关TFBG反射光谱；
[0025]基于所述空气中偏振无关TFBG反射光谱，获取空气中偏振无关TFBG透射光谱；
[0026]基于所述空气中偏振无关TFBG透射光谱，获取在折射率匹配液中偏振无关SPR的透射光谱。
[0027]优选的，所述在折射率匹配液中偏振无关SPR的透射光谱的表达式为：
[0028][0029]其中，T
n
(λ)为折射率匹配液中偏振无关SPR的反射光谱，T
S
(λ)为S偏振光激发的偏振无关SPR的反射光谱，T
P
(λ)为折射率匹配液中P偏振光激发的偏振无关SPR的反射光谱，T
air
(λ)为空气中偏振无关SPR的反射光谱，T
P，air
(λ)为空气中P偏振光激发的偏振无关SPR的反射光谱。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0031]本专利技术利用倾斜光栅将纤芯模式耦合进包层，利用包层模式产生表面等离子体共振，避免D型光纤、锥形光纤、楔形光纤等改变光纤原有结构而导致传感结构的不稳定，且倾斜光栅的窄线宽包层模式能够更精确的定位传感波长。
[0032]本专利技术利用环形器、PBS环形结构进行S偏振态与P偏振态的转换替换传统的起偏器与偏振控制器产生P偏振光，使得通过倾斜光栅传感结构的P偏振光矢量和为一定值，实现倾斜光栅传感结构与光源偏振无关性，提高传感装置的稳定性。
[0033]本专利技术利用环形器、法拉第旋转镜反射结构替换传统的起偏器与偏振控制器，减小系统复杂性，实现光源偏振无关型传感结构，减小外部干扰带来的影响，提高系统稳定性。
[0034]本专利技术提出光谱优化处理，在不使用偏振控制器调节偏振的情况下，使用空气中
的偏振无关反射光谱作为参考谱，有效地减小了S偏振分量占比。
附图说明
[0035]为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]图1为本专利技术的倾斜光栅传感结构图；
[0037]图2为本专利技术实施例中光源偏振无光型倾斜光栅表面等离子体共振装置结构一图；
[0038]图3为本专利技术实施例中的光源偏振无光型倾斜光栅表面等离子体共振装置结构二图；
[0039]图4为本专利技术实现微小折射率变化传感光谱图；
[0040]图5为本专利技术实施例中光谱优化流程图；
[0041]图6为本专利技术光谱处理前后对比图。
[0042]附图说明：1
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宽带光源；2
‑
环形器；3
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偏振分束器；4
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倾斜光栅传感结构；5
‑
旋转夹具；6
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光谱仪；7
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置，其特征在于，包括：宽带光源(1)、环形器(2)、光谱仪(6)和光偏振单元；所述宽带光源(1)、环形器(2)和光偏振单元顺次连接；所述环形器(2)还与所述光谱仪(6)连接；所述光偏振单元用于所述宽带光源(1)偏振复用。2.根据权利要求1所述的光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述光偏振单元包括偏振分束器(3)、倾斜光栅传感结构(4)、旋转夹具(5)；所述偏振分束器(3)的一端与所述环形器(2)连接；所述偏振分束器(3)的另一端通过两根保偏光纤分别与倾斜光栅传感结构(4)的两端连接；所述倾斜光栅传感结构(4)的两端均设置有旋转夹具(5)。3.根据权利要求1所述的光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置，其特征在于，将制备的所述倾斜光栅传感结构(4)分别与所述偏振分束器(3)的1端口和2端口熔接，在所述倾斜光栅传感结构(4)上滴入不同折射率的折射率匹配液，表面等离子体共振反应随着折射率的增大，反应波长发生红移，实现对外部折射率的灵敏度传感。4.根据权利要求1所述的光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述光谱仪(6)进行光谱测量的具体过程为：发生表面等离子体共振的光谱会在特定SPR共振波长处出现一个衰减包络；基于所述衰减包络，通过检测SPR共振波长随外界折射率变化，实现不同的折射率传感。5.根据权利要求1所述的光纤倾斜光栅表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述光偏振单元包括倾斜光栅传感结构(4)和法拉第旋转镜(7)；所述环形器(2)、所述倾斜光栅传感结构(4)和所述法拉第旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥龙，师肖宁，赵皖聪，邾毅，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：