[实用新型]一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器

说明书

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光纤微环的表面等离子体共振 (SurfacePlasmonResonance，SPR)折射率传感器。

背景技术

表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance，简称SPR)是一种光学物理现象。光源 发出的P型偏振复色光以某一入射角由光密介质进入光疏介质发生全反射时，会有一少部分 入射光渗透进金膜一定深度并呈指数衰减，这部分光称为倏逝波。倏逝波激发局限于金属表 面上的自由电子，在金属薄膜与环境介质的界面上形成一种沿Z方向衰减的电磁波，称为表 面等离子体波(Surfaceplasmawave，SPW)。当倏逝波平行于金属/电介质界面的分量与表面等 离子体波的波矢完全匹配时，两种电磁波模式会发生强烈耦合，产生SPR效应，部分入射光 的能量将被SPW吸收，从而导致该波段透射光能量的急速减少，产生SPR共振峰。

1968年，首次提出了基于光棱镜的表面等离子体共振模型，观察到了SPR效应。后来采 用衰减全反射(AttenuatedTotalReflection，简称ATR)的方法在实验中实现了光频波段的表 面等离子体的激发。1993年，Jorgenson等人成功研制出光纤SPR传感器，以光纤为载体的 SPR传感器获得了关注。相比于棱镜SPR传感器，它具有灵敏度高、集成性好、体积小、抗 电磁干扰能力强、易于实现长距离在线实时观测等诸多优点，在食物安全监测、化学分子检 测、药物分析以及环境监测等相关领域有着广阔的应用前景。

通常基于光纤的表面等离子体共振传感器，是将光纤的包层腐蚀掉，在光纤纤芯外镀一 层金属膜，或者将光纤拉制成很细的锥然后在锥的外侧镀膜，实现光纤中的倏逝波与金属膜 相互作用产生SPR共振。这种基于腐蚀和拉锥技术的传感器，在实际测量使用中易断，造成 资源浪费；此外，到目前为止提出的SPR传感器大部分都是透射型。本实用新型提出的一种 基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器，是在细心光纤包层内制造出空气环，然后 在空气环外侧壁镀一层金膜，除此之外，在传感头端面镀一层金膜形成反射型传感器，只需 将传感头插入待测物质，待测样物质可以自动填充在包层的空气环内，进行液体、气体材料 的传感测量，便于实现实时监测，而且传感头无锥区、结实耐用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器。该装 置能够将物质折射率的变化量转化为共振波长的变化。具有结构简单、易于操作、灵敏度高、 实用性强等特点。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案：

一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器，包括宽带光源、光隔离器、偏振 控制器、3端口环形器、传感区、光谱仪，其特征在于：宽带光源的输出端与光隔离器相连， 光隔离器的输出端与偏振控制器相连，偏振控制器的输出端与3端口环形器的一端相连，3 端口环形器的另两端分别与传感区和光谱仪相连；所述传感区是在细心光纤的包层内制造出 空气环，在空气环外侧壁镀一层金膜，此外，在光纤端面镀一层金膜形成反射型传感器；传 感区由内到外依次是纤芯、靠近纤芯的剩余包层、空气层、金属层、外包层，纤芯的半径为 3.5～4.0um，靠近纤芯的剩余包层厚度在10nm～150nm之间，空气环的厚度在10nm～50nm之 间，金膜厚度在30nm～70nm之间，表面粗糙度的均方根小于等于5nm；P偏振光由宽带光源、 光隔离器以及偏振控制器结构产生。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提出的一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器，是在细心光纤 包层内制造出空气环，然后在空气环外侧壁镀一层金膜，除此之外，在光纤端面镀一层金膜 形成反射型传感器。这种特殊结构的设计能有效的激发SPR效应，只需将传感头插入待测物 质，待测样物质可以自动填充在包层的空气环内，物质折射率的改变会导致空气环折射率的 改变，使得SPR光谱发生变化，由于是反射型传感器，光两次通过金膜与物质的交界面，使 得SPR效应双倍增强，通过检测一定波长范围内共振波长的位置改变，可以实现折射率的测 量；此外，这种传感器的结构无锥区，传感头结实耐用。

附图说明

图1是本实用新型的一种基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器结构示意图。