基于毛细管光纤的并联式SPR传感器

摘要

本发明公开了一种基于毛细管光纤的并联式SPR传感器。该传感器由四芯光纤1、方形毛细管光纤2以及金属薄膜3组成，将四芯光纤1与方形毛细管光纤2依次焊接在一起，形成“四芯光纤1‑方形毛细管光纤2‑四芯光纤1”结构，其中，四芯光纤的每一根纤芯以及方形毛细管光纤矩形表面所镀的金属薄膜3都可以构造一路独立的SPR传感单元。本发明所述的传感器可以根据使用者的需求在SPR传感单元涂敷相应的敏感物质，可用于生物传感、化学分析、药品研发、环境监测等多个领域的多参量在线实时测量。

权利要求

1.基于毛细管光纤的并联式SPR传感器，其特征是：所述传感器由四芯光纤（ 1） ，毛细管光纤（ 2） 以及金属薄膜（ 3） 组成，其中，四芯光纤（ 1） 包含包层（ 101） 和纤芯（ 

102） ，方形毛细管光纤（ 2） 包含方形包层（ 201） 和空气孔（ 202） ；当方形毛细管光纤（ 2） 的两端先后热融焊接四芯光纤（ 1） 时，在焊点附近的空气孔（ 202） 因受热坍缩形成锥形过渡区（ 4、5） ，然后在方形包层（ 201） 的四个外表面上增镀金属薄膜（ 3） ，形成四个并联的SPR传感单元；宽谱光（ 6） 由耦合器（ 7） 分别注入四芯光纤（ 1） 的四个纤芯（ 102） 后，四个纤芯（ 102） 的四路传导光波（ 8） 在锥形过渡区（ 4） 的表面发生全反射形成四束发散光束（ 9） ，然后四束发散光束（ 9） 分别在方形包层（ 201） 与金属薄膜（ 

3） 的四个分界面处再一次发生全内反射，形成四束反射光束（ 10） ，同时产生了沿四个分界面传输的倏逝波，当倏逝波与金属薄膜（ 3） 的表面等离子波波矢相互匹配时，就会发生SPR现象，此时四个反射光束10的能量被大量消耗，四路反射光束（ 10） 最后在另一 锥形过渡区（ 5） 的表面发生全反射，分别由四芯光纤（ 1） 的四个纤芯（ 102） 收集，输出四个传感光谱（ 11、12、13、14） ，形成四个互不干扰的SPR传感单元，实现并联式SPR传感功能。

2.根据权利要求1所述的基于毛细管光纤的并联式SPR传感器，其特征是：所用的四芯光纤还可以是双芯光纤、三芯光纤或其他多芯光纤的一种。

3.根据权利要求1所述的基于毛细管光纤的并联式SPR传感器，其特征是：所用的方形毛细管光纤的方形包层的外轮廓形状还可以是三角形、五边形或其他多边形的一种。

4.根据权利要求1所述的基于毛细管光纤的并联式SPR传感器，其特征是：所用的金属薄膜还可以是介质和金属组成的复合薄膜结构。

说明书

基于毛细管光纤的并联式SPR传感器

(一)技术领域

[0001] 本发明涉及的是基于毛细管光纤的并联式SPR传感器，属于光纤传感领域。(二)背景技术

[0002] 表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是在金属和电介质界面处入射光场满足适当的能量与动量匹配条件下激发金属表面的自由电子相干振荡而产生表面等离子体的一种物理现象。光以全反射的方式在纤芯中传播，对光纤进行金属薄膜镀膜后，可使一部分光透入金薄膜产生倏逝波，引发金薄膜中的自由电子振荡从而产生表面等离子体波(Surface Plasmon Wave，SPW)。当倏逝波与SPW相互匹配时二者即发生共振，此时全反射会被破坏，某一特定波长的光被自由电子所吸收，造成其能量急剧降低，在共振光谱图上反映为一个共振谷。当金薄膜表面物质的折射率或SPR共振激发角改变时，共振谷会发生漂移，将共振谷的漂移量与被测参量变化一一对应，即可实现待测参量的测量。目前，SPR现象因其对于与金属薄膜相接触介质的折射率极其灵敏的特性而倍受关注，SPR检测技术也因此得到了迅速发展，在生物传感、化学分析、药品研发、食品安全、环境监测、医学诊断等众多领域都得到了广泛的应用。

[0003] 传统的基于Otto结构和Kretschmann结构的棱镜型SPR传感器，尽管检测分辨率比较高，但是这些设备体积庞大，不适合远程遥测，且其信号易受机械振动影响导致系统测试结果不稳定。相对比起传统的棱镜型SPR传感技术，光纤SPR传感技术采用光纤作为传输媒介，实现了“传”与“感”的合一，具有体积小、灵敏度高、集成度高、抗电磁干扰、无需标记、结构灵活、可实现远程实时监测以及在复杂恶劣环境下仍可正常工作等诸多优势，得到很多学者的青睐，成为光传感领域中的重要分支和热点研究方向。

[0004] 在光纤传感领域中，高分辨率、微型化和可实现多参量同时测量的传感技术是人们一直不断在追求和探索的。随着传感技术的向前发展，各种各样结构和功能的光纤SPR传感器开始不断涌现。

[0005] 公开号为CN102213675A的发明专利利用直径为600μm的多模光纤研制了一种角度调谐式多通道光纤表面等离子体共振传感探头，这种传感探头在光纤端集成了多个通道，但每次只能检测一个通道，对于多参量的检测需要分时测量，其实用性受到限制；授权号为CN105092535B的发明专利通过在双芯光纤的上方刻四个V型槽，并在槽内镀膜，制备出一种分布式表面等离子体共振光纤传感器，该传感器可实现双通道测量，但由于传感区的面积小，所以传感器的灵敏度被限制；申请号为CN201810887667.6通过单芯光纤把光耦合进入多芯光纤，在多芯光纤中间某一段制备SPR传感单元，使多芯光纤的每一根纤芯可以独立检测某一物理量，再利用单芯光纤把信号光耦合输出到光谱仪，实现一种在线传输式多芯光纤SPR传感器，该传感器需要焊接与多芯光纤纤芯数相同的单芯光纤，制备工艺繁琐复杂，集成度不高。

[0006] 本发明为克服上述在先技术的不足，提出一种基于毛细管光纤的并联式 SPR传感器，具有可实现多通道同时测量、灵敏度高、制备简单、集成度高的特点。得益于“四芯光纤‑毛细管光纤‑四芯光纤”结构左右焊点处存在的锥形过渡区，四芯光纤的每一根纤芯都可以构造一路独立的SPR传感单元，与其他通道之间没有串扰，从而实现集成多个SPR传感器的并联传感；此外，还可以选择在金属薄膜上继续增镀介质和金属组成的复合薄膜结构，加深倏逝波的穿透深度，收窄共振吸收峰，进一步提高传感器的灵敏度和精度，故本发明提出的传感器相对比在先技术有着更大的优势。(三)发明内容

[0007] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于毛细管光纤的并联式SPR传感器。该传感器通过将四芯光纤与毛细管光纤依次熔接在一起，使“四芯光纤‑毛细管光纤‑四芯光纤”结构焊点附近的空气孔形成锥形过渡区，令四芯光纤的每一根纤芯都可以构造一路独立的SPR传感单元，与其他通道之间没有串扰，从而达到集成多个SPR传感单元并联传感的目的。

[0008] 本发明的目的是这样实现的：

[0009] 如图1所示，所述传感器是将四芯光纤1、方形毛细管光纤2依次熔接在一起，形成“四芯光纤1‑毛细管光纤2‑四芯光纤1”结构，并在方形毛细管光纤 2的四个矩形表面分别镀上金属薄膜3制备而成。方形毛细管光纤的任意一个矩形表面以及镀在该面上的金属薄膜构成一个SPR传感单元。当方形毛细管光纤2 的两端先后热融焊接四芯光纤1时，在焊点附近会因空气孔202受热坍缩而形成锥形过渡区4、5，宽谱光6由耦合器7注入四芯光纤1并传输至左焊点时，四路宽谱光6会在锥形过渡区4的表面分别发生全内反射形成四路发散光束8，然后发散光束8在方形包层201与金属薄膜3的四个分界面处再一次发生全内反射，形成反射光束9，同时在每个“方形包层201‑金属薄膜3”的分界面处都产生了沿分界面传输的倏逝波10，当倏逝波10与金属薄膜3的表面等离子波波矢相互匹配时，就会发生SPR现象，此时反射光束9的能量被大量消耗，四路反射光束9最后会在锥形过渡区5的表面发生全内反射，分别射向四芯光纤1中与该路传感通道相对应的纤芯102并被纤芯102收集，分别输出四个传感光谱11、12、 13、14，从而实现四个SPR传感单元互不串扰的并联式传感。最终通过求解各传感光谱中SPR共振波长的漂移量与待测物质折射率变化量之间的关系，实现金属薄膜表面物质折射率的实时测量。

[0010] 所述的基于毛细管光纤的并联式SPR传感器中起到输入光和收集光作用的四芯光纤1，其所用光纤还可以是双芯光纤、三芯光纤或其他多芯光纤的一种。

[0011] 所述的基于毛细管光纤的并联式SPR传感器中所用的方形毛细管光纤2 的方形包层的外轮廓形状还可以是三角形、五边形或其他多边形的一种。

[0012] 所述的基于毛细管光纤的并联式SPR传感器中所用的金属薄膜可以是一种能激发表面等离子体波的单层金属材料，如金、银、铝；还可以是介质和金属组成的复合薄膜结构，该结构能增强金属薄膜与介质界面处的电场，加强倏逝波的穿透深度，从而提高传感器的灵敏度。

[0013] 利用镀膜机在方形毛细管光纤的各个矩形表面上镀金属薄膜时，所采用的镀膜方式可以是单面镀膜、旋转镀膜以及单面镀膜和旋转镀膜相结合的方式。

[0014] 通过将所述的基于毛细管光纤的并联式SPR传感器简化为“方形包层‑ 金属薄膜‑待测介质”三层膜结构，采用传输矩阵法对该三层膜结构的反射率、透射率以及电磁场的分布情况做出了分析，下面给出相应的数学描述。

[0015] 当入射光在方形包层与金属薄膜的分界面处发生全内反射时，如图5所示，将方形包层201以C层表示，金属薄膜以W层表示，待测介质以S层表示，由于电磁场的切向连续，我们可以得到：

[0016]

[0017]

[0018] 式(1)、(2)中，1和2分别表示W层的上下两个表面。考虑到光在金属薄膜中的传播情况，有：

[0019]

[0020]

[0021] 式(2)中，δ表示1、2两个界面的相位变化。将式(3)、(4)带入式(1)、 (2)中，可以得到：

[0022]

[0023]

[0024] 再将式(5)、(6)代入式(1)中，可得：

[0025]

[0026] VC＝US(‑γisinδ)+VS cosδ   (8)

[0027] 将式(7)、(8)写成矩阵形式，有：

[0028]

[0029]

[0030] 其中式(10)中M即为金属薄膜的特征矩阵。通过分析U和V的分布情况可以得到整个“方形包层‑金属薄膜‑待测介质”三层膜结构的反射系数和透射系数，分别为：

[0031]

[0032]

[0033] 最终可以得到整个“方形包层‑金属薄膜‑待测介质”三层膜结构的反射率和透射率，分别为：

[0034] R＝|rCS|2   (13)

[0035]

[0036] 本发明的有益效果在于：

[0037] 本发明根据现代传感领域的需求并继承已有的传感器的优点,提出一种基于毛细管光纤的并联式SPR传感器。得益于“四芯光纤‑毛细管光纤‑四芯光纤”结构左右焊点处存在的锥形过渡区，四芯光纤的每一根纤芯都可以构造一路独立的SPR传感单元，与其他通道之间没有串扰，只需要往各SPR传感单元上增镀金属薄膜，即可达到并联式SPR传感的目的。本发明制备简单、集成度高、可以实现同时对样品中多种不同物质进行分析和检测，克服了在先检测技术操作复杂、自动化程度低、检测效率低等缺点，故本发明提出的传感器相对比在先技术有着更大的优势。
(四)附图说明

[0038] 图1是基于毛细管光纤的并联式SPR传感器的结构示意图。该传感器由四芯光纤1、方形毛细管光纤2、金属薄膜3组成。

[0039] 图2是“四芯光纤‑方形毛细管光纤‑四芯光纤”结构的制备过程示意图。

[0040] 图2(a)为四芯光纤与方形毛细管光纤的熔接示意图；图2(b)为“四芯光纤‑方形毛细管光纤‑四芯光纤”结构示意图。图中1为四芯光纤，2为方形毛细管光纤，203 为熔接机夹持工具，204为熔接机放电电弧。

[0041] 图3是传感器镀膜过程示意图。图3(a)为单面金膜镀膜示意图；图3(b) 为旋转金膜镀膜示意图。

[0042] 图4是多边形毛细管光纤的横截面图，401表示多边形毛细管光纤的包层，402表示多边形毛细管光纤的空气孔。图4(a)为三角形毛细管光纤，图4(b) 为四边形毛细管光纤，图4(c)为五边形毛细管光纤，图4(d)为六边形毛细管光纤。

[0043] 图5是“方形包层‑金属薄膜‑待测介质”三层薄膜结构示意图。

[0044] 图6是一种基于方形毛细管光纤的温湿度SPR传感器的系统测试图。(五)具体实施方式

[0045] 下面结合附图举例来进一步阐述本发明。

[0046] 基于毛细管光纤的并联式SPR传感器的制备过程主要分为以下两个步骤：

[0047] 步骤1、熔接。如图2所示，对方形毛细管光纤2进行定长度切割后，将其放置在熔接机的夹持工具203中，让方形毛细管光纤2的切割末端置于夹持工具203与电弧204、205之间并固定好；同样地，将四芯光纤1放置在熔接机另一端的夹持工具203中，使四芯光纤1的切割末端置于夹持工具与电弧204、 205之间并固定好，设置好熔接机的参数后，对四芯光纤1和方形毛细管光纤2 进行熔接，熔接完成后，可获得“四芯光纤1‑方形毛细管光纤2”结构。随后以同样的方法，在方形毛细管光纤2的另一端熔接一段四芯光纤1，见图2(b)，即可获得“四芯光纤1‑方形毛细管光纤2‑四芯光纤1”结构。

[0048] 通过改变熔接机的参数，如放电强度、放电时间，可做出有锥形过渡区和无锥形过渡区的熔接效果，更具体地，可通过调整放电强度、放电时间，制备出不同形状的锥形过渡区，锥形过渡区的形状决定光束分割的能力：当方形毛细管光纤2的长度一定时，锥形过渡区越陡，光波在方形毛细管光纤2的包层中发生全反射的次数就越多，镀上金属薄膜后，被SPR现象消耗的光波能量就越多，导致难以完成收光，故需要严格控制锥形过渡区的形状。

[0049] 步骤2、镀膜。单面镀膜的镀膜示意图见图3(a):将制备好的“四芯光纤‑ 方形毛细管光纤‑四芯光纤”样品301放置在离子溅射仪的腔体内,并利用夹持工具302固定好，使样品301与桌面水平，开启真空泵将腔内环境抽成一个较低真空状态，使负电极303和正电极304的电位差为几百伏特以上，产生辉光放电，在电场的作用下加速正离子轰击靶电极305，靶中原子306溅射，在样品301上形成一层金属薄膜307。其中样品正下方的负电极303上固定有膜厚监测仪的探头308，该探头308与监测仪309共同组成一个膜厚监测系统，被轰击出来的金原子306由上至下依次降落在样品301和探头308上，通过计算一定时间内探头 308上金膜的重量，即可换算成样品301上所镀金膜的厚度，厚度可通过监测仪 309显示出来。

[0050] 除了单面镀膜的方法，还可以采用一种旋转镀膜的方法。见图3(b)，旋转镀膜与单面镀膜的原理一样，只是把离子溅射仪腔体中的夹持工具更换为旋转电机310,该旋转电机310带动样品301以顺时针方向或者逆时针做匀速旋转运动，使金原子306可以落在样品301的整个外表面上，经过一定时间的积累后，形成一层金属薄膜307。

[0051] 下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

[0052] 实施例：一种基于方形毛细管光纤的温湿度SPR传感器，用于环境温度和湿度的同时测量。

[0053] 如图6所示，所述的这种基于方形毛细管光纤的温湿度SPR传感器由双芯光纤1、方形毛细管光纤2、金膜3、聚二甲基硅氧烷4、聚乙烯醇5、宽带光源6、耦合器7、信号处理单元8和信号处理单元9组成，其中双芯光纤1包含包层101和纤芯102，方形毛细管光纤2包含方形包层201和空气孔202。参考上述的制备过程步骤1～2，将双芯光纤1、方形毛细管光纤2、双芯光纤1依次熔接在一起，形成“双芯光纤1‑方形毛细管光纤2‑双芯光纤1”结构，再采用金膜单面镀膜的方法，在方形毛细管光纤2的上、下表面分别镀上适当厚度的金膜3，实现两个SPR传感单元的并联，然后在两个SPR传感单元的金膜3上方分别涂覆聚二甲基硅氧烷4和聚乙烯醇5，最终完成这种基于方形毛细管的光纤温湿度 SPR传感器的制备。对于该传感器中的SPR温度传感单元而言，由于聚二甲基硅氧烷具有较高的负热光系数，温度升高会导致聚二甲基硅氧烷折射率降低，进而导致SPR温度传感单元对应的共振波长发生漂移，通过求解该共振波长的漂移量与温度的变化量的关系，即可实现对环境温度的传感；对于该传感器中的 SPR湿度传感单元而言，由于环境湿度会影响聚乙烯醇的折射率，从而导致SPR 湿度传感单元对应的共振波长发生漂移，通过求解该共振波长的漂移量与湿度的变化量的关系，即可实现对环境温度的传感。宽带光源6通过耦合器7向传感器注入宽谱光，激发SPR现象，从传感器输出的传感信号将传输到达信号处理单元8和信号处理单元9，信号处理单元由光谱仪和计算机组成，最终SPR共振波长的位移情况会在计算机上显示出来，实现温度和湿度的同时实时测量。