[发明专利]基于模式激发的单模-少模/多模光纤SPR传感器

说明书

本发明公开了一种基于模式激发的单模‑少模/多模光纤SPR传感器，包括设置在一石英管内的单模光纤、模式激发元、少模/多模光纤和镀膜敏感元，单模光纤的一端自石英管一端穿出，少模/多模光纤的一端自石英管另一端穿出；模式激发元是位于单模光纤的另一端与少模/多模光纤的另一端错位熔接而构成的错位熔接区域，模式激发元采用偏移耦合激励作为激发元；镀膜敏感元是位于少模/多模光纤上位于错位熔接区域后面的一段剥去包层的纤芯和镀在这段纤芯外周的金属膜构成的SPR传感区域。本发明有更好的灵敏度；共振峰更窄，测量精度更高，提升了光纤SPR传感器的性能，实现了高精度痕量物质的检测。可用于生物传感、化学分析、药品研发、环境监测等多个领域。

技术领域

本发明涉及传感器技术，具体涉及到一种利用模式激发方法获得高灵敏度、高精度的光纤SPR传感器。

背景技术

光纤表面等离子体共振传感器是1993年R.C.Jorgenson提出的。将光纤的包层去除，并在光纤的纤芯上镀上银膜，应用于折射率检测。因此光纤SPR传感器作为一种高精度光谱检测技术逐渐走向大众的视野。之后，利用各种光纤制造的各种锥形、楔形、D形等结构的光纤SPR传感器逐渐问世。随着光纤SPR传感技术的发展，越来越多的国内外学者和公司对该技术进行了大量的研究。SPR传感技术在生物检测、化学领域、医疗和制药领域得到了广泛的应用。

利用光纤制造出来的SPR传感器相比较棱镜SPR传感器有结构简单，体积小，检测精度高等优点。但波长检测的光纤SPR和角度检测的棱镜SPR相比，始终无法得到类似棱镜SPR的尖锐光谱。而光纤的尺寸也限制了其使用角度检测的方式。再加上光纤微加工技术的不成熟，造成了光纤SPR传感器获得的光谱共振峰十分宽，使其检测精度和灵敏度受限。而这一现象的根本原因是光纤的传输模式。模式是光在光纤中以某一角度传播的另一种表述。低阶光纤传输模式反射的角度大，不能与表面等离子体波良好地耦合；高阶模式反射的角度小，可以与表面等离子体波良好地耦合。对于单模光纤来说，高阶模式传输损耗极大，可以近似认为只存在基模，因此单模光纤制造的SPR传感器无法获得的较深的SPR光谱共振峰；对于少模/多模光纤，虽然其内部存在高阶模式，但其能量占比远远小于低阶模式，因此得到的SPR光谱共振峰展宽严重。

为了提升光纤SPR传感器的灵敏度和精度，科研人员对光纤SPR传感器做了大量的改进工作。如在材料上，2006年湖南大学的王柯敏提出了“利用纳米金颗粒催化增长提高表面等离子体共振传感器灵敏度的方法”(专利申请号200610031234.8)，2012年电子科技大学的吴宇发明了“石墨烯薄膜增敏的D型光纤SPR传感器及其制备方法”(专利申请号201210067372.7)；在光纤选择上，2011年天津大学的姚建铨提出了“基于光子晶体光纤表面等离子体共振传感器”(专利申请号201110190079.5)2014年中国计量学院的沈常宇提出了“基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器”(专利申请号201410623411.6)。虽然前人做了大量工作提升光纤SPR传感器的灵敏度，但并没有获得像棱镜SPR传感器一样尖锐的光谱。

针对光纤SPR传感器光谱展宽的缺点，本发明提出了一种利用模式激发方法获得高精度、高灵敏度的单模-少模/多模光纤SPR传感器。利用模式激发的方式提高少模/多模光纤的高阶模式在所有模式中的能量占比，更好的激发SPR效应。在提高共振峰的高度的同时，有效的抑制共振峰的展宽，有效的提升光纤SPR传感器的灵敏度和精度。相比一般的光纤SPR传感器具有更好的灵敏度，精度和更尖锐的共振峰。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有光纤SPR传感器存在上述的问题，提供一种利用模式激发方式，降低光纤中基模的能量占比，提高高阶模式的能量占比。再将激发高阶模式后的少模/多模光纤中间的包层去除，镀上纳米级别厚的金属膜，实现利用光纤中的高阶模式激发SPR效应。获得尖锐的共振光谱。在传感区附近添加不同折射率的物质，则会在光谱仪上观察到共振峰的漂移.