[发明专利]等离子体共振倾斜光纤光栅传感器、检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种等离子体共振倾斜光纤光栅传感器、检测系统及方法，所述系统包括光源、起偏器、偏振控制器、等离子体共振倾斜光纤光栅传感器、光电探测器、示波器和声场信号源，所述光源、起偏器、偏振控制器、等离子体共振倾斜光纤光栅传感器、光电探测器和示波器依次连接；所述传感器包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米量级的金属膜，所述倾斜光纤光栅的角度大于30度，可实现有效折射率覆盖0.9‑1.45RIU的大量梳状包层模以及对应的等离子体共振波激发。本发明可实现涵盖气体与液体多种介质的动静态高精度检测，折射率测量精度可达10^‑8RIU。

技术领域

本发明涉及一种传感器、检测系统及方法，尤其是一种等离子体共振倾斜光纤光栅传感器、检测系统及方法，属于液体、气体检测领域。

背景技术

20世纪中期以来，生物信息学迅猛发展，各类生物、气体传感技术也随之得到发展。1982年，在Liedberg等人对表面等离子体共振倾斜光纤光栅传感器对气体以及生物样品的检测的报道后，以其具有检测过程方便迅速、无需标记、实时监测、精度高等特点，使表面等离子体共振倾斜光纤光栅传感器在传感领域得到广泛应用。

等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的负电子组成的离子化气状物质。带电粒子受到外界干扰时，能引起正负电荷的局部集中，产生电场，而电场又产生磁场，同时伴随着极强的热辐射和热传导等等，这种电子沿金属层表面的波动形式叫做表面等离子体波(Surface Plasmon Wave，SPW)。当在电介质和金属的接触面处，外界电磁场作用于等离子体时，金属中的部分自由电子发生位移，破坏了此区域的电中性，并且形成电场，发生位移的电子由于电场的作用而在其平衡位置振荡，振荡波沿金属界面纵向传输，其振幅以指数形式衰减，这种在空间电荷电场的作用下，等离子体内部的正负带电粒子发生密度起伏的振荡，称为表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)。

目前，以光纤为物理媒质，以其结构小巧、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、本质安全以及便于多点组网和远距离遥测等优点，非常适合于表面等离子传感器的设计。在相关报道中，比如去除光纤包层、D型光纤、侧面抛磨等等，使光纤纤芯能量直接作用于金属层，但是这些方法需要严格的工艺控制，结构不稳定，不易量产。在此同时，加拿大卡尔顿大学提出了基于倾斜光纤光栅表面镀金膜激发表面等离子体共振，倾斜光纤光栅可将入射光耦合到反向传输的包层模，这些包层模在光纤包层传输并且和金属层作用形成表面等离子体共振，又由于包层模带宽极窄(3dB带宽约0.2nm)，因此，使传感器有很高的品质因数(Q值)，这进一步提高了传感器的检测灵敏度(折射率测量精度达10^-5-10^-6RIU，refractive index unit)。同时光纤未受到破环，整个传感器结构稳定、重复性高，极大提高了传统棱镜以及空间光耦合式SPR传感器性能，为其商业化应用提供了广阔的前景。然而由于光栅写制效率与传感模式的限制，基于倾斜光栅的SPR传感器只对液体环境下的样品敏感(折射率约1.33-1.45)，无法实现气体检测(折射率约1.0RIU)，这在一定程度上限制了此技术更为广泛的应用。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种等离子体共振倾斜光纤光栅检测传感器，该传感器可实现气体(折射率约1.0-1.1RIU)与液体(折射率约1.33-1.45RIU)的同时高精度测量。

本发明的第二个目的在于提供一种等离子体共振倾斜光纤光栅检测系统，该系统能够进一步实现高精度气体静态折射率和动态折射率变化的高精度检测，折射率测量精度达10^-8RIU。

本发明的第三个目的在于提供一种基于上述系统的等离子体共振倾斜光纤光栅检测方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：