一种反射式TFBG-SPR折射率传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种反射式TFBG‑SPR折射率传感器，由宽带光源，光纤环形器，待测样品池，双锥形‑TFBG传感探头，金纳米薄膜，光谱分析仪组成。宽带光源发出的光经光纤环形器到达探入待测样品池中的双锥形‑TFBG传感探头，双锥形‑TFBG传感探头是表面镀有金纳米薄膜，由锥腰直径45微米的双锥形结构与倾角10度，栅长20毫米的TFBG级联而成的传感器结构，反射光经双锥形‑TFBG传感探头回来到光谱分析仪中，将采集到的光谱数据MATLAB软件输出分析可得到对溶液折射率变化的检测。将双锥形与TFBG的优势结合制作的反射式折射率传感器，可以实现离子、非离子、微生物的多类型对象的测试，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种反射式TFBG-SPR折射率传感器
本技术属于传感器领域，具体涉及一种反射式TFBG-SPR折射率传感器。
技术介绍
折射率作为物质的基本光学参数反映了其物理变化和生化反应过程中的重要特性，因此，对折射率的检测受到人们的广泛重视。氯化钠、葡萄糖、乙醇水溶液等的折射率参数信息在能源、制药、生物技术等多领域都有着很重要的应用，其测量技术的研究工作很有实际价值，精确地检测到其折射率变化有着十分重要的意义。近年来很多研究学者们忠于折射率检测技术的研究，也引起生化领域的广泛关注。目前相关方面的技术主要有生物化学反应、光纤传感器技术等。生物化学反应实现过程中往往要用到溶液折射率或细菌检测设备，笨重不便于携带，不利于现场检测，而且传统检测工艺复杂，精确度不高，响应时间长，不可预测控制的诱变因素太多。近年来，随着医学、船舶、工业、航天等领域的飞速发展，对设计灵活、灵敏度高、响应速度快的溶液检测方式的需求日益增长，在此基础上又产生了对温度、应力等测量参数的多参量溶液传感的应用需求，而光纤溶液折射率传感器器件有径细质轻、灵敏度高、损耗低、性价比高、复用性好、频带范围宽、动态范围大、连续监测、实时检测、易与光纤传输系统组成遥测网络等优点，可广泛应用于各个领域的溶液折射率检测。表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance，SPR)传感器是利用光学倏逝波与金属表面等离子体波(SurfacePlasmonWave，SPW)达到共振来测量环境折射率的变化。90年代初Jorgenson等首次用光纤结合表面等离子体共振效应制作出第一根光纤表面等离子体共振传感器，将SPR技术的高灵敏性和低损耗的特点有机地结合在一起，解决了传统棱镜结构SPR传感器体积大、结构复杂等问题，因此光纤因这一特性成为激发表面等离子体共振的载体。光纤SPR传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、响应速度快等优点，在食品安全、生物分子检测、药物分析等领域具有很大的应用前景与经济价值。随着光纤SPR传感器应用范围的不断扩大，对其性能的要求也越来越高。由于表面等离子体共振是通过光在光纤传播时产生的泄漏光来激发SPR现象，因此通过侧边抛磨制成D型、弯曲成U型、熔融拉锥等方式改变光纤的结构，增强光倏逝场的泄漏，或是将金属-介质-金属阵列结构形成的完美吸收器固定在玻璃基板上，通过环境介质对完美吸收器的阻抗匹配的影响进而影响谐振频率。倾斜光纤光栅(TFBG)与普通光纤布拉格光栅(FBG)同属短周期光纤光栅，两者的不同之处在于倾斜光纤光栅的栅平面与光纤横截面并不平行，而是成一夹角。这一结构特点使得TFBG能够将纤芯模式耦合进入包层传播，在布拉格谐振峰的下游形成一系列离散的反向传播的包层模式，双锥形结构可将部分后向传输的包层模重新藕合进光纤纤芯中传播，结合双锥形和TFBG的优势，分析耦合模理论对TFBG中光波模式的传输特性影响，推导出能够解释模式耦合的普适方程，并在此基础上建立反射式双锥形-TFBG光纤传感器结构，通过数值模拟、制作加工、实验分析、反馈修改的过程来逐步验证该设计的可行性。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种反射式TFBG-SPR折射率传感器，将双锥形与TFBG的优势结合制作成反射式折射率传感器探头，利用等离子共振原理可以实现离子、非离子、微生物的多类型对象的测试，研究的新型的免标记反射式光纤探针，对当前关注的食品安全、分子测试、生化痕量元素测量等热点问题，具有一定的实用价值。本技术通过以下技术方案实现：一种反射式TFBG-SPR折射率传感器，由宽带光源(1)，光纤环形器(2)，待测样品池(3)，双锥形-TFBG传感探头(4)，金纳米薄膜(5)和光谱分析仪(6)组成；其特征在于：宽带光源(1)发出的光经光纤环形器(2)到达探入待测样品池(3)中的双锥形-TFBG传感探头(4)，反射光经双锥形-TFBG传感探头(4)回来到光谱分析仪(6)中进行分析处理，双锥形-TFBG传感探头(4)是由锥腰直径45微米的双锥形结构与倾角10度，栅长20毫米的TFBG级联而成，并在表面镀有20纳米厚金纳米薄膜(5)的传感器结构，将采集到的光谱数据MATLAB软件输出分析可得到对溶液折射率变化的检测。所述的双锥形-TFBG传感探头(4)是由单模光纤熔融拉锥形成的腰椎长度4毫米、锥区长度9毫米、腰椎直径45微米的双锥形结构与倾角为10°、栅长为20毫米的倾斜光纤光栅结构无间隔级联制成的。所述的金纳米薄膜(5)是利用化学液相法制成的，室温下将制作好的双锥形-TFBG传感探头(4)浸入0.01％氯金酸和0.4毫摩尔盐酸羟胺的混合溶液中沉积生长20纳米厚的金纳米薄膜，沉积时间为15分钟，镀膜溶液温度为23℃。本技术的工作原理是：锥柱型双锥光纤它可分为三段，锥-柱区、柱-锥区、腰-锥区。腰锥区为柱型，其上游过渡区称为锥-柱区，后者同理。单模光纤内部仅存在一个传播模式，多个模式的为多模光纤。光纤中传输模式数量与其几何结构和光特性密切相关。将归一化频率V表示光纤中模式数量：式中，rcore、ncore分别为光纤纤芯的半径、折射率，nclad为包层折射率，nclad是作用时的波长。归一化频率值(V)不大2.405于时，光纤中允许存有的仅为基模；光纤内部模式数量随V的增大而增加。普通单模光纤中仅存在基模当将SMF通过一定工艺拉锥时，纤芯和包层直径有相应变小，V<1的情况下，纤芯的直径已经很小，不能再将光局限在纤芯里。这种情形下，光纤包层取代纤芯的作用引导着光的传输，而环境介质就相当于原来的包层了。对于锥形内部模式数量V″的计算公式如下：式中，r(z)表示锥形区沿着z轴方向纵向的半径，nsur表示环境介质折射率。相比普通SMF纤芯和包层折射率差，锥区的环境介质与包层折射率差较大，锥区允许更高级的模式存在，所以在锥区往往存在多个模式。双锥形光纤中光的传输特性分锥柱区、柱锥区两部分来讨论，锥柱区光纤由大口径端往小口径端传输，柱锥区光线从小口径端往大口径端传输，把光纤内部传输的每个电磁场当作一个传播模式。双锥形几何结构决定了光在锥柱区传播时的模式特征与光在柱锥区传播时的模式特征不一样。没有双锥形结构的存在，TFBG传感器透射谱中会看到很多阶不同波动程度的包层模，但反射谱由于TFBG被激发的包层模，后向传输过程中会在包层中很快衰减甚至消失，光谱仪上显示的也只是同FBG差不多的纤芯模和一些杂乱微弱的包层模；由于纤芯模对周围环境折射率不敏感，所以要设计反射式折射率传感器就必须将这些包层模成功耦合到纤芯中继续传播，锥形位于紧挨着TFBG的上游部分，作为桥梁耦合TFBG被激发的后向传播的包层模进入纤芯，包层模和耦合程度对于外界环境折射率都是比较敏感的，仅观测功率变化不能很好的分析其包层模，因此采用光谱仪设备，分析反射谱变化从而得到外界折射率变化与包层模强弱的关系。本技术的有益效果是：将双锥形与TFBG的优势结合制作新型的反射式折射率传感器，综合实验结果，对比不同参数的性能，得出比较优良的结构尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种反射式TFBG-SPR折射率传感器，由宽带光源（1），光纤环形器（2），待测样品池（3），双锥形-TFBG传感探头（4），金纳米薄膜（5）和光谱分析仪（6）组成；其特征在于：宽带光源（1）发出的光经光纤环形器（2）到达探入待测样品池（3）中的双锥形-TFBG传感探头（4），反射光经双锥形-TFBG传感探头（4）回来到光谱分析仪（6）中进行分析处理，双锥形-TFBG传感探头（4）是由锥腰直径45微米的双锥形结构与倾角10度，栅长20毫米的TFBG级联而成，并在表面镀有20纳米厚金纳米薄膜（5）的传感器结构，将采集到的光谱数据MATLAB软件输出分析可得到对溶液折射率变化的检测。/n

【技术特征摘要】
1.一种反射式TFBG-SPR折射率传感器，由宽带光源（1），光纤环形器（2），待测样品池（3），双锥形-TFBG传感探头（4），金纳米薄膜（5）和光谱分析仪（6）组成；其特征在于：宽带光源（1）发出的光经光纤环形器（2）到达探入待测样品池（3）中的双锥形-TFBG传感探头（4），反射光经双锥...

【专利技术属性】
技术研发人员：张崇，沈常宇，刘姝仪，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33