[发明专利]光纤V槽型包层SPR应变传感器及其制作方法

说明书

本发明属于光纤传感领域，主要涉及光纤V槽型包层SPR应变传感器；包括顺次连接的传感光纤和收光阶跃多模光纤；传感光纤上刻制有V槽结构，传感光纤接收并传输由光源发出的光束，光在经过V槽结构时将纤芯中的光耦合进入包层中，与覆盖在包层表面的金属膜发生SPR效应，最后由收光阶跃多模光纤进行收光并将光信号传输到光谱仪中进行信号采集与解调；本发明在传感光纤上刻制V槽，将纤芯中的光耦合进入包层中，通过改变V槽深度、V槽个数、V槽周期来调节SPR共振波长范围与灵敏度；光纤V槽结构受到应变时，V槽角度以及有效折射率发生改变，SPR入射角发生对应改变，进而可通过SPR共振谷的偏移来实现对应变的准确测量。

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，具体涉及光纤V槽型包层SPR应变传感器及其制作方法。

背景技术

表面等离子共振(SPR)传感器具有体积小，灵敏度高，抗电磁辐射和干扰，可实现远距离测量等优点，广泛应用于食品安全、生物医学、环境监测等方面。其原理为：当光波从光密介质射向光疏介质时，在两种介质的界面，将发生反射和折射，如果入射角大于临界角，将不会发生折射，反射光波与入射光波能量相等，这种现象称为全反射，当发生全反射时，入射光照射到两种介质分界面后，光波能量全部反射回光密介质，但并不是在界面上一下就反射回去的，而是在光疏介质中穿透很薄的一层，厚度在光波波长量级，这部分穿透的电磁波称为倏逝波，倏逝波在金属表面激发表面等离子体，在一定条件下，倏逝波与金属表面等离子体发生共振，此时，反射光的能量由于入射光的能量被部分吸收而下降，形成共振峰，当光疏介质折射率不同时，共振峰发生偏移，这就是光纤SPR传感器对待测介质(光疏介质) 折射率参数进行检测的基本原理。

光纤应变传感器在结构健康检测以及航空航天领域发挥着重要作用。目前光纤应变传感器按原理分类主要有两类：光纤干涉应变传感器和光纤光栅应变传感器。光纤干涉应变传感器传感原理为：当光纤干涉传感器受到应变时，光纤的有效折射率差和光程差发生改变，从而导致谐振波长发生改变，进而可通过谐振波长的偏移来实现对应变的测量；光纤光栅应变传感器传感原理为：当光纤光栅传感器受到应变时，光纤的有效折射率差和栅距发生改变，从而导致谐振波长发生改变，进而可通过谐振波长的偏移来实现对应变的测量。

SPR传感灵敏度较高，但目前还未将光纤SPR原理运用到应变传感。要将SPR技术用于应变测量，技术的难点在于既要确保能发生SPR效应，又要建立应变与SPR共振波长的联系。

首先针对SPR效应发生条件，SPR发生的结构条件是：倏逝波需进入金属薄膜，即要求传输光全反射时接触金膜。对于光纤波导来说，传输光在纤芯和包层界面全反射，从而在纤芯中传输，包层中没有传输光，在进行光纤型SPR传感器结构构造时，要解决的问题是如何让传输光全反射时接触金膜。光纤SPR传感器按传感基底位置可分为纤芯型SPR传感器和包层型SPR传感器。纤芯型光纤SPR传感器需要去除光纤包层以使倏逝场与金属薄膜接触才能发生SPR效应，目前使用的方法为腐蚀、光纤侧面抛磨或光纤研磨等，但这些加工方法存在加工困难，使光纤机械强度降低、重复性差等问题。包层型光纤SPR传感器需要将光纤纤芯中的传输光泄露耦合至光纤包层中，以使倏逝场与金属薄膜接触才能发生SPR效应，目前的方法有拉锥结构、异质芯结构，U型结构，但是拉锥结构的光纤SPR传感器容易折断，重复利用性差；异质芯结构通常为多模-单模-多模光纤结构，此种方法无法实现在多模光纤包层上进行SPR传感；U型结构重复制作困难且产生弯曲损耗。

其次针对SPR应变传感：SPR共振波长主要受基底折射率、外界环境折射率、SPR入射角、金属介电常数的影响，在基底折射率、外界环境折射率、金属介电常数保持一定时，SPR共振波长主要受 SPR入射角的影响，SPR共振波长随SPR入射角改变而改变，因此，要实现用SPR原理进行应变传感，需要解决的问题是如何建立应变与SPR入射角的关系。

基于此，本发明所要解决的问题是提供一种简单耐用的光纤SPR 传感器，并建立应变与SPR入射角的关系，以实现对应变的测量。

发明内容