[发明专利]一种基于SPR原理的相对介电常数测量系统

说明书

本发明提供的是一种基于SPR原理的相对介电常数测量系统。其特征是：它由宽谱光源、光纤起偏器、保偏光纤、保偏光纤环形器、保偏传感光纤、金膜、梯形槽、传输光纤、光谱分析仪、信号处理系统和胶头滴管组成。所述系统中首先用胶头滴管吸取μL待测液体于梯形槽结构中，接着宽谱光源发出的光经由光纤起偏器，使输入光转化为P偏振光后由保偏光纤传输至三端口保偏光纤环行器再进入保偏传感光纤，在金膜处发生SPR效应，并经特殊的梯形槽结构反射回保偏光纤环形器，接着经传输光纤将反射信号传输至光谱分析仪，最后由信号处理系统分析光谱仪所得数据从而得出待测液体的相对介电常数。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于SPR原理的相对介电常数测量系统，可用于液体相对介电常数检测、生物传感器方向，具体涉及一种操作简单、采样少、可重复使用、SPR易激发的相对介电常数检测装置和方法，属于SPR光纤传感技术领域。

(二)背景技术

表面等离子体共振(SPR)是一种当入射光波和金属导体表面的自由电子相互作用时可能产生的一种物理光学现象，即如果在两种介质中存在几十纳米的金属薄膜，当满足全反射条件时，产生的倏逝波将进入金属薄膜，并与金属薄膜中的自由电子相互作用，从而激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波，在其反射谱上显示出共振吸收峰，此时入射光的角度或者波长称为SPR的共振角或共振波长。由于共振角(波长)对外部介质的相对介电常数特别敏感，因此利用这一特性，SPR已经在环境检测、生物分子检测等领域有着广泛的应用。

由于表面等离子体共振是通过光在光纤里传播过程中产生泄露光从而激发SPR，故有大量工作集中于通过改变结构从而实现各种形式的SPR激发状态，如对光纤侧边抛磨成D形结构，引进光子晶体等手段，在一定程度上改进了之前SPR共振峰强度和激发条件的相位匹配问题。申请人于2015年公开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(中国专利：201410558015.X)提出了侧边抛磨单模光纤结构，利用微流通道折射率的微小变化从而引起SPR谐振波发生偏移，但这种方式存在SPR激发困难的原理性问题，一方面纤芯与激发所需的金膜之间存在一定厚度的包层，而倏逝光在包层传输损耗较大，另一方面对于入射光在介质之间能否满足全反射这一前提条件对入射光有一定的调控要求；申请人于2017年公开的基于D型光纤SPR折射率传感模型(中国专利：201710306378.8)提出了一种截面为D型的光纤，并在上面镀上一层石墨烯层以增强纳米层SPR折射率传感，该专利解决了SPR激发困难的问题，但这种方式存在所需待测液体样本大，测量范围窄等问题；申请人于2020年公开的一种反射式TFBG-SPR折射率传感器，该种方式有效的解决了对于入射光的入射角度需要严格控制的问题，即可以通过调节倾斜光栅的斜度从而间接良好的满足入射光的入射方向问题，但与此同时，也存在着待测样品量大，光栅结构制作工艺难等问题。

本发明公开了一种基于SPR原理的相对介电常数测量系统，可用于液体相对介电常数检测、生物传感器方向。它采用内部挖有梯形槽为主体的保偏传感光纤，通过设计不同的角度θ可以间接满足全反射条件，与此同时，在梯形槽斜面直接镀上一层金膜，增大了SPR激发容易程度，用胶头滴管移取待测液体于梯形槽即可测量液体相对介电常数，拥有小样本测量等优点，此外，该结构采用保偏光纤环行器将保偏光纤、保偏传感光纤和传输光纤连接起来，使保偏光纤传感器反射的信号全部耦合到传输光纤中，与在先技术相比，由于光纤环形器的使用，消除了反馈回光源的信号，提高了光源的稳定性。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单、采样少、可重复使用、SPR容易激发的相对介电常数检测装置和方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于SPR原理的相对介电常数测量系统。其特征是：它由宽谱光源1、光纤起偏器2、保偏光纤3、保偏光纤环形器4、保偏传感光纤5、金膜6、梯形槽7、传输光纤8、光谱分析仪9、信号处理系统10和胶头滴管11组成。

所述的三端口保偏光纤环形器由保偏光纤、保偏传感光纤和传输光纤三部分组成。