一种测量溶液温度及折射率的SPR光纤传感装置

技术领域

本发明涉及的是一种测量溶液温度及折射率的SPR光纤传感装置，属于光纤传感领域。

背景技术

1902年Wood在光学实验中首次发现了表面等离子体子共振现象。1941年Fano根据金属和空气界面传感面电磁波的激发解释了这一现象。自从Lied-berg等将SPR技术用于化学传感装置研究领域以来SPR传感装置逐渐成为国际传感装置领域的研究热点。

SPR传感装置主要分为棱镜型和光纤型两种类型。棱镜型为了产生SPR，必须在棱镜-金属的交界面产生全反射，基于棱镜的SPR传感装置体积较大而不易携带且成本较高，所以以光纤为媒介的SPR传感装置逐渐发展起来。申请号为CN201210067372.7的专利提出了一种基于石墨烯薄膜增敏的D型光纤SPR传感装置，该发明采用D型光纤作为光的传输媒质，D型光纤表面镀银膜形成SPR结构；之后各个申请人分别提出一种SPR光纤折射率传感装置和制备方法及应用(CN114088664A)；一种基于SPR效应的螺旋微结构光纤折射率传感装置(CN109655430A)和基于SPR效应的栅状膜双芯D型光子晶体光纤折射率传感装置(CN110441260A)，这几种都是用不同结构来激发SPR，并实现了对折射率的测量，但他们都只能检测折射率，而无法消除温度对SPR的干扰；基于SPR的方孔光子晶体光纤折射率传感装置及方法(CN112432924 A)在测量折射率的同时还进行了温度补偿，但它是传输式结构，存在传感区域较大，易折断等问题；且这些都是用的特种光纤，成本较高。Zijian Hao等人在2022年提出了一种基于多模光纤楔形结构的反射式SPR光纤传感装置[HaoZijian.Nanopho-to nics,2022,11(15)]，该结构将传感区域置于光纤末端，易于检测样品且易清洗，但由于多模光纤内传输的光波模式较多，SPR的吸收峰的半高全宽较大，灵敏度还有待提升。

本发明运用常见的单模光纤，不仅成本低，而且使其传感区域更小，传感区域面积不到100μm

发明内容

本发明专利设计了一种测量溶液温度及折射率的SPR光纤传感装置，用于测量溶液的折射率和温度。

本发明专利的目的是通过以下技术方案实现的：

一种测量溶液温度及折射率的SPR光纤传感装置，其特征在于：由宽带连续光源、单模光纤，环行器、传感探头、光谱仪和计算机组成；所述单模光纤和宽带连续光源相连，光波在单模光纤传输经环行器耦合进传感探头的光纤布拉格光栅和楔形反射区域，光纤布拉格光栅反射布拉格波长的光，其余光波在楔形反射结构的传感面激发SPR并反射至反射面后垂直反射回纤芯，反射光再经环行器耦合进光谱仪。

本发明实现折射率传感的器件传感探头主要由两部分组成，第一部分是单模光纤末端的楔形反射结构，目的是将入射光在楔形传感面与金膜发生共振，形成SPR效应，并由反射面反射回纤芯，目的是实现反射式的实时折射率测量。第二部分是光纤布拉格光栅(FBG)，其目的是检测外界温度，消除温度对SPR效应的干扰。

本发明的主要原理是SPR效应。光学表面等离子体共振(Surface Plasmo-nResonance,SPR)是一种光学物理现象。当一束P偏振光(偏振方向平行平面)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体波。当入射光波的传播常数与表面等离子体波的传播常数相匹配时，引起金属膜内自由电子产生共振，即表面等离子体共振。电磁波发生共振的条件就是两个波具有相同的频率和波矢(即波长)且传播方向一致。若消失波与表面等离子体子的频率和波矢相同，则二者将发生共振。共振时界面处的全反射条件将被破坏呈现衰减全反射现象，即反射率出现最小值。反射率值是入射波长或入射角的函数，因此其最小值出现的点即为共振波长或共振角。待测样品与传感表面接触，样品会引起金膜表面折射率变化，最终导致SPR角或共振波长发生变化，通过检测SPR角度或波长变化，获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等信息。

本发明的核心是光纤末端的楔形结构，能将SPR激发后反射回纤芯内并经环行器耦合进光谱仪中。现以图1中传感探头(4)放大图来说明本发明的楔形结构实现反射式SPR传感的原理。本发明设计了楔形反射结构，其中传感面的角度为α，该表面需研磨过纤芯，使整个纤芯与包层的角度相同，传感面的金属膜厚度为d1，40nm≤d1≤60nm,反射面的角度为β，该表面仅需研磨包层，无需研磨至纤芯,其金属膜厚度为d2,150nm≤d2≤200nm。其角度满足公式

2α+β＝90°(1)

当光波从纤芯入射到满足此公式的楔形结构，会在传感面激发SPR后反射到反射面，由于其角度满足公式，传感面的反射光与反射面刚好为垂直关系，所以反射光会沿原路返回。

本发明级联了光纤布拉格光栅。FBG与光纤轴向垂直，本质相当于一个反射镜，当入射光进入光纤布拉格光栅，满足相位匹配条件波长的光即布拉格波长的光被反射。入射光经过光纤布拉格光栅时，光纤纤芯内部前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式耦合，对入射光进行反射，被反射的光满足相位匹配条件，均在某一特定波长。相位匹配条件即衍射光束的波矢量等于光纤布拉格光栅波矢量与入射光束的波矢量之和。在FBG中，光纤布拉格光栅矢量定义为

β

其中Λ为沿光纤轴向测量的光纤布拉格光栅周期；入射光波矢量与反射光波矢量一致，FBG温度和应力响应都具有很好的线性相关性。所有满足相位匹配的反射波组合的波长为布拉格波长λ

λ

式中N

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

该SPR光纤传感装置的传感区域极小，只有微米量级，实现了高精度、高灵敏度的样品折射率检测分析，在各类检测领域都具有很好的前景。

该SPR光纤传感装置的传输光纤为单模光纤，在远距离传输中不易损耗、不易失真，而且适合与目前基于单模光纤传输的光纤网络衔接。

附图说明

图1是SPR光纤传感装置系统示意图。SPR光纤传感装置系统是由宽带连续光源1，环行器2，传输单模光纤3，传感探头4，光纤光谱仪5，计算机(6)组成。图1的传感探头4是实施例中已覆膜的SPR光纤传感区结构示意图；其中4-1为单模光纤包层，4-2为单模光纤纤芯，4-3为刻蚀在单模光纤纤芯内的光纤布拉格光栅；4-4为楔形结构的传感面研磨角度α，4-5为反射面研磨角度β；4-6为SPR激发金属薄膜，4-7为反射金属薄膜。

图2为在不同折射率下的SPR共振峰仿真光谱图。

图3为不同折射率下的SPR共振波长，其斜率表示灵敏度，在1.33-1.35折射率波段的线性度较好，适合作为折射率传感区间。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明专利作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本实施例中，首先将光纤末端进行倾斜研磨，研磨出α、β角，其中，α一般为小角度，10°≤α≤30°，优选用20°，β一般为大角度，30°≤β≤70°，优选用50°，20°角的斜面要研磨至纤芯，其深度一般为75μm左右，50°角的斜面则只需将剩余未研磨的包层研磨，一般深度为45μm左右。研磨完毕后用显微镜观测两个角度，确保20°的斜面研磨过纤芯，且两个斜面角度满足权利要求书中所述的角度公式。

当外界温度改变时，现有SPR光纤传感装置的光谱数据会产生相应的变化，具体表现为共振峰的移动，从而导致折射率的测量准确性下降。因此需要采取一定的措施来补偿温度引起的光谱数据的变动。

在研磨好的光纤上靠近研磨端用相位掩模法刻蚀光纤布拉格光栅，以便光谱仪将光纤布拉格光栅与SPR反射的吸收峰区分开。

在刻蚀完光纤布拉格光栅的光纤上镀膜，其中，20°的斜面只需镀上50nm的金属膜，用以激发SPR，50°角的斜面则需镀上200nm的全反膜，以确保大部分的光波能够反射回纤芯并被光谱仪接收到。

在室温25℃下，宽带光源通过光纤传输到所述的SPR传感区，在传感区域激发表面等离子体共振效应，待测样品为溶液，当溶液折射率发生变化时，会影响SPR共振峰的位置。根据图3可以看到，随着折射率的增大，SPR共振峰发生红移。同理，通过改变溶液的温度，同时观察光谱仪解调出来的光栅反射谱，得出具体的温度变化对应的共振峰位移的关系，然后通过算法去除温度对SPR共振峰的干扰。

以上是本发明的较佳实施案例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。