[发明专利]锯齿形阶跃多模光纤双通道SPR传感器及其制作方法

说明书

本发明属于光纤传感领域，主要涉及锯齿形阶跃多模光纤双通道SPR传感器；包括顺次连接的传感光纤和收光阶跃多模光纤；其中，传感光纤上刻制锯齿形区域与锯齿形后2cm的光纤包层表面镀制传感金属膜。本发明在传感光纤上刻制锯齿形，有效的将纤芯中的光耦合进入包层中，解决包层型光纤SPR传感器倏逝场难以获得的难题；同时，锯齿形刻制到阶跃多模光纤纤芯，且锯齿形自身具有角度，其可以改变在纤芯上发生SPR效应的SPR入射角，从而与包层区域发生SPR共振谷波长完全分离，可实现双通道传感。

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，具体涉及锯齿形阶跃多模光纤双通道SPR传感器及其制作方法。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)技术因其灵敏度高、抗电磁干扰、无需标记、远距离测量等优势成为研究热点。SPR传感原理为：当光波从光密介质射向光疏介质时，在两种介质的界面，将发生反射和折射，如果入射角大于临界角，将不会发生折射，反射光波与入射光波能量相等，这种现象称为全反射，当发生全反射时，入射光照射到两种介质分界面后，光波能量全部反射回光密介质，但并不是在界面上一下就反射回去的，而是在光疏介质中穿透很薄的一层，厚度在光波波长量级，这部分穿透的电磁波称为倏逝波，倏逝波在金属表面激发表面等离子体，在一定条件下，倏逝波与金属表面等离子体发生共振，此时，反射光的能量由于入射光的能量被部分吸收而下降，形成共振峰，当光疏介质折射率不同时，共振峰发生偏移，这就是光纤SPR传感器对待测介质(光疏介质)折射率参数进行检测的基本原理。

SPR发生的结构条件是：倏逝波需进入金属薄膜，即要求传输光全反射时接触金膜。对于光纤波导来说，传输光在纤芯和包层界面全反射，从而在纤芯中传输，包层中没有传输光，在进行光纤型SPR 传感器结构构造时，要解决的问题是如何让传输光全反射时接触金膜。

解决这个问题有两种方法：一是去掉光纤包层，在光纤纤芯表面镀制金属薄膜，以实现光纤纤芯中传输光全反射时接触金膜；二是将光纤纤芯中的传输光泄露耦合至光纤包层，直接在光纤包层表面镀制金属薄膜，实现泄露耦合至光纤包层中的光全反射传输时和金膜接触。光纤型SPR传感器按传感基底位置可分为纤芯型SPR传感器和包层型SPR传感器。纤芯型光纤SPR传感器需要去除光纤包层以使倏逝场与金属薄膜接触才能发生SPR效应，目前使用的方法为腐蚀、光纤侧面抛磨或光纤研磨等，但这些加工方法存在加工困难，使光纤机械强度降低、重复性差等问题。包层型光纤SPR传感器需要将光纤纤芯中的传输光泄露耦合至光纤包层中，以使倏逝场与金属薄膜接触才能发生SPR效应，目前的方法有拉锥结构、异质芯结构，U型结构，但是拉锥结构的光纤SPR传感器容易折断，重复利用性差；异质芯结构通常为多模-单模-多模光纤结构，此种方法无法实现在多模光纤包层上进行SPR传感；U型结构重复制作困难且产生弯曲损耗。

目前的光纤SPR传感器基本上是单一传感通道，相比于单一传感通道的光纤SPR传感器检测目标单一，多通道光纤SPR传感器一方面促进了多种分析物的并行检测，另一方面，多通道光纤SPR传感器的其中一个通道可以作为参考通道来有效避免背景折射率和外界环境温度的影响，提高检测精度。

要实现双通道级联传感，就需要两级共振波长足够分开。