基于表面等离子体共振的高灵敏度宽测量范围的折射率传感器

摘要

基于表面等离子体共振的高灵敏度宽测量范围的折射率传感器，特征包括：激光光源，光隔离器，偏振控制器，微流通道，侧边抛磨单模光纤，载玻片上镀有金膜的芯片，光谱仪，微流泵；所述SPR传感区由载玻片上镀有金膜的芯片、微流通道和侧边抛磨单模光纤组成；微流通道是利用光刻蚀技术在侧边抛磨单模光纤的残余包层形成；载玻片上镀有金膜的芯片是利用离子溅射技术在硅基表面溅射金膜；由于微流通道中强的倏逝场和SPR效应，当微流通道折射率微小变化时，SPR谐振波长产生大的漂移；载玻片上镀有金膜的芯片和微流通道界面具有大的有效折射率差，提高测量范围。本发明提出一种实用、低成本的基于表面等离子体共振的高灵敏度宽测量范围的折射率传感器。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及基于表面等离子体共振的高灵敏度宽测 量范围的折射率传感器。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)是指当光源发出的P 型偏振复色光经过薄膜金属与介质的交界面时，若满足入射角大于全反射临界角，在表面上 形成了电子浓度的梯度分布，形成等离子体振荡，形成表面等离子体波，由于表面倏逝波场 与金属复折射率的存在，使满足谐振波长的光部分被吸收，其余波长的光被反射的现象。1968 年，德国物理学家Otto和Kretschmann各自采用(Attenuated Total Reflection，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。

在过去的二十多年中，由于基于Kretschmann结构的表面等离子体共振(SPR)传感 器高灵敏度和高分辨率特性，基于表面等离子体(SPR)的研究及其应用得到了越来越多人的关 注，其主要应用于生物和化学传感领域，目前基于Kretschmann结构的SPR分析仪已经商业 化。基于Kretschmann结构的SPR传感器的体积比较大，不利于SPR分析仪的集成，同时， 基于该结构的SPR传感器具有的测量范围比较窄。2012年，香港城市大学的Siu Pang Ng等 人发表于Optics Express期刊的论文，结合基于Kretschmann结构的SPR传感器、共光路干涉 技术和载波解调技术测量NaCl溶液浓度的变化，对应折射率的变化范围为1.3333～1.3648， 实现了3×10^-2RIU的测量。但是该文中光路结构复杂，光路中使用双折射晶体，增加成本。 2013年，A.Giorgini等人在Optics Letters发表基于光学谐振腔提高传感灵敏度的方法，折射 率测量范围为1.320～1.332，1.2×10^-2RIU的变化。1993年，Jorgenson等人在实验上实现了基 于SPR的光纤化工传感器，相比于棱镜SPR传感器，它具有体积小、响应快、成本低、可以 实现在线实时监测等优势，有着更大的研究前景和经济价值。近些年，如何提高基于光纤表 面等离子体共振(SPR)传感器的灵敏度和测量范围成为目前研究的热点。在结构方面，构造等 离子腔体结构是基于光纤表面等离子体共振(SPR)的提高测量灵敏度的一种方式。2005年， 美国亚利桑那州立大学的Soame Banerji等人发表Optics Letters的文章指出，利用基于光纤的 SPR双传感通道的传感器可实现2×10^-4RIU分辨率的测量，折射率的测量范围1.328～1.346， 1.8×10^-2RIU折射率的测量范围。该文中，在实验前需要在一个镀金膜的传感区镀聚合物，而 且厚度100nm需要严格控制，加工工艺和传感结构很复杂。综上所述，基于棱镜结构的表面 等离子体共振(SPR)传感器具有高的测量灵敏度，但测量范围很窄，体积大；基于光纤结构的 SPR传感器，为了提高测量灵敏度，需要构造新的结构，测量范围也比较窄，而且，不论是 基于棱镜结构还是光纤结构的SPR传感系统的折射率测量范围都是在10^-2RIU一下，这些缺 点严重阻碍基于光纤结构的表面等离子体共振传感器的发展和应用。

针对上述基于光纤结构的表面等离子体共振(SPR)传感器感头结构复杂、测量 范围窄、灵敏度低等问题，本发明提出一种基于表面等离子体共振的高灵敏度宽测量范围的 折射率传感器，结构简单，成本低，具有很强的实用价值。

发明内容

为了克服基于光纤结构的表面等离子体共振(SPR)传感器感头结构复杂、测量范 围窄、灵敏度低等问题，本发明提出一种结构简单，成本低，具有很强的实用价值的基于表 面等离子体共振的高灵敏度宽测量范围的折射率传感器，

本发明为解决技术问题所采取的技术方案：

基于表面等离子体共振的高灵敏度宽测量范围的折射率传感器，包括：宽带光源、 光隔离器、偏振控制器、微流通道、侧边抛磨单模光纤、载玻片上镀有金膜的芯片、光谱仪、 微流泵。

宽带光源的输出端与光隔离器输入端相连，光隔离器的输出端与偏振控制器相 连，侧边抛磨单模光纤的一端与偏振控制器的输出端相连，侧边抛磨单模光纤的另一端与光 谱仪相连，微流泵的输出端与微流通道的输入端相连，载玻片上镀有金膜的芯片覆盖到微流 通道上。利用光刻蚀技术在侧边抛磨单模光纤的残余包层形成微流通道，微流通道与光的传 输方向垂直，微流通道槽的深度在1nm到15nm之间，微流通道的宽度小于等于1μm，微流 通道的最大进样体积为10μL；载玻片上镀有金膜的芯片是利用离子溅射技术在载玻片表面溅 射金膜，金膜的厚度在30nm到50nm之间，表面粗糙度的均方根小于等于3nm；侧边抛磨单 模光纤剩余包层的厚度在100nm到200nm之间，保证基模耦合到SPR传感区；SPR传感区 由载玻片上镀有金膜的芯片、微流通道和侧边抛磨单模光纤组成，微流通道中折射率的变化， 引起SPR谐振波长的漂移，载玻片上镀有金膜的芯片和微流通道的界面处具有比较大的有效 折射率差提高测量范围；光谱仪作为信号测试系统。

本发明的有益效果为：

本发明利用载玻片上镀有金膜的芯片、微流通道和侧边抛磨单模光纤构成SPR传 感头，当微流通道中被测物理量的折射率发生变化时，SPR谐振波长的产生漂移，通过检测 波长的漂移量，结合SPR传感器的特性，实现折射率的高灵敏度测量；

本发明利用微流通道形成的空气间隙，增大载玻片上镀有金膜的芯片和微流通道 的界面处有效折射率差，实现折射率的宽范围检测；

本发明利用光谱仪作为信号解调系统，可实现折射率实时的在线检测。

附图说明

图1为基于表面等离子体共振的高灵敏度宽测量范围的折射率传感器结构示意 图。

图2为一个具体实例实验图。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步描述。

如图1所示，基于表面等离子体共振的高灵敏度宽测量范围的折射率传感器，包 括：宽带光源1、光隔离器2、偏振控制器3、微流通道5、侧边抛磨单模光纤4、载玻片上 镀有金膜的芯片6、光谱仪7、微流泵8；

本发明的工作方式为：宽带光源1产生信号光，由单模传输光纤输入到光隔离器 2，光隔离器2输出的光信号通过偏振控制器3控制输出变成P偏振光，P偏振光耦合到侧边 抛磨单模光纤4，由于侧边抛磨单模光纤包层的厚度减少，纤芯和包层的一些模式以倏逝波 的形式耦合到微流通道5中传输，在微流通道5处形成强的倏逝场，当满足模式匹配条件时， 在微流通道5和载玻片上镀有金膜的芯片6的表面产生表面等离子体共振效应，产生表面等 离子体共振效应的光波以表面等离子波的形式存在，剩余的光波继续传播，透射谱被光谱仪 7接收，折射率液体通过微流泵8激励到微流通道5。载玻片上镀有金膜的芯片6、微流通道 5和侧边抛磨单模光纤4组成SPR传感区，当微流通道5中被测物理量的折射率发生变化时， SPR谐振波长的产生漂移，通过检测波长的漂移量，结合SPR传感器的特性，实现折射率的 高灵敏度测量；在未有折射液流过微流通道5时，微流通道5的介质为空气，这使得载玻片 上镀有金膜的芯片6和微流通道5的界面处具有比较大的有效折射率差，这将确保该传感器 的测量范围。

该装置能够实现基于表面等离子体共振的高灵敏度宽测量范围的折射率传感器 测量的关键技术有：

1、光纤折射率传感区的结构。由载玻片上镀有金膜的芯片、微流通道和侧边抛 磨单模光纤构成的光纤折射率传感头结构是实现高灵敏度宽测量范围传感的基础。

2、微流通道槽的深度和宽度。微流通道槽的深度影响SPR的谐振波长的位置， 微流通道槽的宽度影响倏逝波在微流通道槽中倏逝场的强度，这将影响折射率灵敏度的测量， 因此，微流通道槽的深度应严格控制在1nm～15nm之间，宽度控制在1μm以下，最大进样体 积控制在10μL以下。

3、侧边抛磨单模光纤剩余包层的厚度。随着包层厚度的减小，会使得越来越多 的纤芯模耦合到空气间隙，但要是包层太薄，会导致出现模式不匹配，使得纤芯模完全泄露， 损耗太大；太厚导致耦合到空气间隙的模式太少，SPR耦合效率降低，因此剩余包层的厚度 应控制在100nm～200nm之间。

4、载玻片上镀有金膜的芯片金膜的厚度和粗糙度。金膜厚度会影响SPR的谐振 波长谐振峰的尖锐程度和消光比，金膜表面的粗糙程度会影响表面等离子体的损失，进而影 响SPR的性能，因此，金膜的厚度应严格控制30nm～50nm之间，金膜表面的粗糙度的均方 根应小于等于3nm。

5、根据表面等离子体共振理论可知，只有P偏振光才能激发表面等离子体波 (SPW)，因此利用偏振控制器保证输入的侧边抛磨单模光纤的信号光为完全P偏振光；光源 的稳定性也是SPR传感器误差的重要来源，应保证光源工作的稳定性。

本发明的一个具体实施例中，Thorlabs的稳定卤钨灯，型号SLS201(/M)输出波长 300到2600nm之间；光隔离器型号为IO-2D-633-VLPa，工作波长为560-663nm，隔离度在 35-40dB之间，；偏振控制器型号为PLC-900；侧边抛磨单模光纤纤芯直径为9μm，剩余包 层的厚度为100nm，轴向长度为10μm；金膜厚度为45nm，表面粗糙度均方根为2.3nm；微流 通道槽的深度为5nm，宽度为500nm；折射率测量范围为1.3～1.4；实验结果图如图2所示， 实验数据如表1所示：

表1不同折射率对应的SPR谐振波长

折射率 1.3 1.35 1.37 1.39 1.4 SPR谐振波长(nm) 880.2 1009.86 1076.03 1174.52 1247.3

以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。本领域的普通技术人员在不脱离本 发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。