[发明专利]基于塑料光纤周期性窄槽结构的高灵敏度SPR折射率传感器

说明书

本发明公开了一种基于塑料光纤周期性窄槽结构的高灵敏度SPR折射率传感器及其制备方法与检测方法，涉及溶液折射率检测领域，包括一根塑料光纤，塑料光纤上取一定长度的一段沿着轴向方向开有一排周期性窄槽结构，周期性窄槽结构为等间距的径向半圆槽状结构，径向半圆槽状结构的槽宽5~20um，槽深20~100um，相邻径向半圆槽状结构之间的距离为400~900um，塑料光纤表面全部镀有一层金膜。制备方法为在塑料光纤上一定长度的部分利用紫外激光器，以相等的间距加工径向半圆槽状结构，形成周期性窄槽结构，然后利用磁控溅射仪器在整个塑料光纤表面全部溅射金膜，加工完成。本发明所提供的周期性窄槽结构提高了折射率传感器的测量精度，简化了测试系统复杂程度。

技术领域

本发明涉及溶液折射率检测领域，具体为一种基于塑料光纤周期性窄槽结构的高灵敏度SPR折射率传感器。

背景技术

当一束P偏振光在一定的角度范围内入射到棱镜端面，在棱镜与金属薄膜(Au或Ag)的界面将产生表面等离子波。当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金属膜内自由电子产生共振，产生表面等离子共振—SPR效应。SPR是用于表征表面折射系数改变的光学专业技术，被广泛的应用于生物传感，折射率检测等方面。光纤SPR折射率传感器较之于传统棱镜结构，一方面使结构微型化，另一方面简化了系统搭建难易程度。

对于光纤SPR折射率传感器来说，检测精度与测量范围是衡量传感器性能的主要指标，而这两个指标主要是受光纤结构及表面材料影响。针对光纤结构，研究者分别对锥形光纤，U型，D型，多段拼接，特制的光子晶体光纤等不同结构光纤进行了分析，但是分别存在加工一致性差，重复性低，加工难度大，耗费巨大等缺点，虽然不同结构的光纤传感器能够一定程度上增加折射率敏感度，但是造成较大的光纤损耗，影响光纤的应用范围。对于表面材料来说，材料层数及材料类型是发展的方向。单层金属膜比如金膜，银膜，多层金属膜，及金属膜与非金属膜型结合逐渐被研究者研究，但是材料的制备与传感器的制作难度逐渐增加，工艺逐渐繁琐，增加了制作成本。与其他金属相对比，金膜是比较稳定的物质，适合长时间使用。综上，现有的光纤SPR折射率传感技术普遍存在以下问题：1、光纤结构制作过程较为繁琐，同时加工的一致性差，光纤加工损耗较大；2、对于普通SPR折射率传感器，折射率传感器分辨率普遍为0.01RIU；3、系统搭建较为复杂，同时耗费过大，对系统构件的精确度要求很高。因而，需要改进现有的光纤SPR折射率传感器，以实现精密折射率检测，同时简化测量系统，节约成本。

发明内容

本发明为了解决现有的光纤SPR折射率传感器不能实现精密折射率检测，而且工艺繁琐复杂且制作成本高的问题，提供了一种基于塑料光纤周期性窄槽结构的高灵敏度SPR折射率传感器。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于塑料光纤周期性窄槽结构的高灵敏度SPR折射率传感器，包括一根塑料光纤，所述塑料光纤上取一定长度的一段沿着轴向方向开有一排周期性窄槽结构，所述周期性窄槽结构为等间距的径向半圆槽状结构，所述径向半圆槽状结构的槽宽5~20um，槽深20~100um，相邻径向半圆槽状结构之间的距离为400~900um，所述塑料光纤表面全部镀有一层金膜。

本发明所提供的基于塑料光纤周期性窄槽结构的高灵敏度SPR折射率传感器，是利用POF光纤与金膜构成的一种新型SPR折射率传感器，塑料光纤上取一定长度的一段沿着轴向方向开有一排周期性窄槽结构，同时在塑料光纤表面全部镀有一层金膜，以此来实现对折射率的敏感，当不同浓度的中性溶液滴在周期性窄槽结构表面时，会引起功率计输出波形的变化，利用功率数值变化的不同来确定盐水的折射率，本发明中径向半圆槽状结构的槽宽5~20um，槽深20~100um，相邻径向半圆槽状结构之间的距离为400~900um，这些长宽和间距保证了周期性窄槽结构的灵敏度，可以实现精密折射率的高精度检测。

基于塑料光纤周期性窄槽结构的高灵敏度SPR折射率传感器的加工方法，包括如下步骤：