[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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(long period fiber grating，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。