[发明专利]一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR系统

说明书

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR传感系统。在光纤传感器件上构建2个传感通道，采用不同的镀膜结构使其具有不同的SPR共振波长，基于波分复用的技术实现双通道检测。同时结合时分复用技术，在仅使用一个光源和一台光谱仪的条件下，计算机端输出TTL信号控制光纤双路开关实现两条光路中的光源控制，采集对应的光谱数据进行实时SPR信号解调，进而实现四通道光纤SPR传感。本发明保持光纤SPR系统体积小、高灵敏、实时响应、可远程传感的优势下扩展了检测通道数目，可应用于食品安全和环境监测等多分析物检测领域。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR系统。

背景技术

光纤表面等离子体共振传感器(SPR)是将高灵敏度的表面等离子体共振传感技术与低能量消耗的光纤传输技术有机结合的产物。它集合了SPR效应对环境介质折射率变化非常敏感的优点，同时又兼有光纤本身柔软、可绕曲、电绝缘、耐腐蚀，使用时不发热、无辐射，能在强电磁干扰、易燃易爆、毒性气体等复杂环境条件下工作等独特的优点。当光从光密介质入射光疏介质时会在两种介质的界面处发生全反射，此时光波的电磁场强度在分界面处并不立即减小为零，而是随入射深度呈指数衰减，形成消逝波。消逝波的有效深度一般为100-200nm，由于光纤SPR传感器金属膜厚度小于消逝波的深度，在金属膜与溶液或空气界面处，消逝波仍起作用。同时在金属膜与样品的界面处，金属表面的自由电子被激发，形成表面等离子体波。当消逝波波矢与表面等离子波波矢相等时，有最小反射率。它能够对传感器表面待测介质组成的微小变化作出灵敏的响应,适用于研究传感器表面敏感层中物质与介质溶液的生物及化学反应,进而定量测定介质溶液中的微量生物和化学活性物质。由于实际应用场景中通常不仅仅需要检测一种物质，而是多种目标检测物的混合物，比如疾病诊断过程中通常需要检测多种待测物的浓度，水质检测过程中需要检测多种污染物水平等，构建一种低成本、小型化、高灵敏，并且可以多通道检测的SPR系统成为光纤传感领域的迫切需求。

发明内容

本发明为解决上述问题，旨在提供一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR系统，利用波分复用技术实现双通道光纤SPR传感器；同时结合时分复用技术，实现一个光源和一台光谱仪的条件下的四通道、高灵敏检测。

一种综合时分复用和波分复用技术的多通道光纤SPR系统，包括宽谱光源1、光纤跳线a2、TTL光纤双路开关3、光纤跳线b4、双通道光纤SPR传感器5、光谱仪6、数据线7和计算机8；

宽谱光源1发射的宽谱光依次经过光纤跳线a2分为两束宽谱光，再分别依次经过TTL光纤双路开关3、光纤跳线b4和双通道光纤SPR传感器5；计算机8输出的TTL信号经过数据线7输入到TTL光纤双路开关3中，控制TTL光纤双路开关3的快门，实现两路光信号的控制；双通道光纤SPR传感器5输出的光信号再经过光纤跳线a2汇总为一束宽谱光入射到光谱仪6中；光谱仪6输出的光谱信号经过数据线7输入到计算机8中。

所述的光纤跳线a2，为1分2Y型光纤跳线；所述的光纤跳线b4，为直线型光纤跳线。

所述的双通道SPR传感器5，根据不同金属膜层调制来调节共振波段；采用纤芯直径为300-500μm、数值孔径不低于0.22的光纤，构建两个传感通道，长度为5mm-10mm；在传感通道表面均匀溅射镀膜，其中一个传感通道表面按照银-金的顺序溅射总厚度为45nm的银-金双层膜9，其中，银膜的厚度为30nm，金膜的厚度为15nm；另一个传感通道表面按照金-ITO-金的顺序溅射总厚度为63nm的金-ITO-金三层膜10，其中，底层金膜的厚度为30nm，ITO膜厚为18nm，外层金膜的厚度为15nm；两个传感通道的共振波长均处于可见光与近红外波段，降低检测系统成本。