[发明专利]基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器

说明书

本发明提供了基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器，其特征包括宽带光源、光隔离器、偏振控制器、3端口环形器、传感区、光谱仪；所述传感区是在细心光纤的包层内制造出空气环，在空气环外侧壁镀一层金膜，此外，在光纤端面镀一层金膜形成反射型传感器；所述传感区由内到外依次是纤芯、靠近纤芯的剩余包层、空气层、金属层、外包层；由于在金属薄膜表面所引起的表面等离子体共振效应极易受到周围介质环境的影响，所以向空气环中注入不同折射率的物质，共振峰的位置会发生变化，通过监测共振峰的位置变化，可以实现物质折射率的测量。本发明实用、抗外界干扰能力强、灵敏度高，此外，反射型传感器使得共振效应双倍增强，易于监测。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及基于光纤微环的表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)折射率传感器。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)是一种光学物理现象。光源发出的P型偏振复色光以某一入射角由光密介质进入光疏介质发生全反射时，会有一少部分入射光渗透进金膜一定深度并呈指数衰减，这部分光称为倏逝波。倏逝波激发局限于金属表面上的自由电子，在金属薄膜与环境介质的界面上形成一种沿Z方向衰减的电磁波，称为表面等离子体波(Surface plasma wave，SPW)。当倏逝波平行于金属/电介质界面的分量与表面等离子体波的波矢完全匹配时，两种电磁波模式会发生强烈耦合，产生SPR效应，部分入射光的能量将被SPW吸收，从而导致该波段透射光能量的急速减少，产生SPR共振峰。

1968年，首次提出了基于光棱镜的表面等离子体共振模型，观察到了SPR效应。后来采用衰减全反射(Attenuated Total Reflection，简称ATR)的方法在实验中实现了光频波段的表面等离子体的激发。1993年，Jorgenson等人成功研制出光纤SPR传感器，以光纤为载体的SPR传感器获得了关注。相比于棱镜SPR传感器，它具有灵敏度高、集成性好、体积小、抗电磁干扰能力强、易于实现长距离在线实时观测等诸多优点，在食物安全监测、化学分子检测、药物分析以及环境监测等相关领域有着广阔的应用前景。

通常基于光纤的表面等离子体共振传感器，是将光纤的包层腐蚀掉，在光纤纤芯外镀一层金属膜，或者将光纤拉制成很细的锥然后在锥的外侧镀膜，实现光纤中的倏逝波与金属膜相互作用产生SPR共振。这种基于腐蚀和拉锥技术的传感器，在实际测量使用中易断，造成资源浪费；此外，到目前为止提出的SPR传感器大部分都是透射型。本发明提出的基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器，是在细心光纤包层内制造出空气环，然后在空气环外侧壁镀一层金膜，此外，在传感头端面镀一层金膜形成反射型传感器，只需将传感头插入待测物质，待测样物质可以自动填充在包层的空气环内，进行液体、气体材料的传感测量，便于实现实时监测，而且传感头无锥区、结实耐用。

发明内容

本发明的目的在于提供基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器。该装置能够将物质折射率的变化量转化为共振波长的变化。具有结构简单、易于操作、灵敏度高、实用性强等特点。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案：

基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器，包括宽带光源、光隔离器、偏振控制器、3端口环形器、传感区、光谱仪，其特征在于：宽带光源的输出端与光隔离器相连，光隔离器的输出端与偏振控制器相连，偏振控制器的输出端与3端口环形器的一端相连，3端口环形器的另两端分别与传感区和光谱仪相连；所述传感区是在细心光纤的包层内制造出空气环，在空气环外侧壁镀一层金膜，此外，在光纤端面镀一层金膜形成反射型传感器；传感区由内到外依次是纤芯、靠近纤芯的剩余包层、空气层、金属层、外包层，纤芯的半径为3.5～4.0um，靠近纤芯的剩余包层厚度在10nm～150nm之间，空气环的厚度在10nm～50nm之间，金膜厚度在30nm～70nm之间，表面粗糙度的均方根小于等于5nm；P偏振光由宽带光源、光隔离器以及偏振控制器结构产生。

本发明的有益效果为：