[发明专利]一种SPR光纤折射率传感器和制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种SPR光纤折射率传感器和制备方法及应用，包括一段异质双悬挂芯光纤，异质双悬挂芯光纤包括一个空气孔、一根小悬挂纤芯、一根大悬挂纤芯和一个包层；小悬挂纤芯和大悬挂纤芯分别紧贴在空气孔的内壁上；异质双悬挂芯光纤上设置有包层经抛磨形成的第一抛磨区域；第一抛磨区域位于小悬挂纤芯一侧，且抛磨平面与两悬挂纤芯中心连线垂直；第一抛磨区域的抛磨平面上镀有金属薄膜作为第一传感通道；第一抛磨区域所处光纤段的空气孔中填充有液体，形成第一液柱。本发明可对传感通道进行独立温度补偿，实现单通道和双通道高精度液体折射率测量。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种SPR光纤折射率传感器和制备方法及应用，特别是一种温度补偿型SPR光纤折射率传感器和制备方法及应用。

背景技术

光纤SPR折射率传感器由于灵敏度高、结构紧凑、集成度高、制备成本低廉等优势，在生化分析、食品检测、环境检测、医学检测等领域表现出巨大的应用潜力。目前，普通的光纤SPR折射率传感器已经在上述领域得以应用。但是，光纤SPR折射率传感器在应用中仍然面临两大主要问题：1、检测效率低；2、测量精度不够。为了解决检测效率低的问题，大量的多通道光纤SPR传感器被提出，通过多个通道同时进行测量，有效提高了检测效率。为了提高测量精度，温度补偿结构被集成到光纤SPR折射率传感器中，用以排除温度干扰，提高了光纤SPR折射率传感器的测量精度。光纤干涉仪是应用最广泛的SPR折射率传感器温度补偿结构，其不能波长复用的特点导致现有多通道光纤SPR传感器不能实现对每个测量通道进行独立温度补偿，使得多通道光纤SPR传感器的测量精度受限。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种温度补偿型SPR光纤折射率传感器和制备方法及应用，通过在异质双悬挂芯光纤空气孔中填充液体构建定向耦合器的方法实现了对SPR折射率传感的温度补偿，并利用定向耦合器可波长复用的特点实现对每个测量通道进行独立温度补偿。

为解决上述技术问题，本发明的一种SPR光纤折射率传感器，包括一段异质双悬挂芯光纤，异质双悬挂芯光纤包括一个空气孔、一根小悬挂纤芯、一根大悬挂纤芯和一个包层；小悬挂纤芯和大悬挂纤芯分别紧贴在空气孔的内壁上；异质双悬挂芯光纤上设置有包层经抛磨形成的第一抛磨区域；第一抛磨区域位于小悬挂纤芯一侧，且抛磨平面与两悬挂纤芯中心连线垂直；第一抛磨区域的抛磨平面上镀有金属薄膜作为第一传感通道；第一抛磨区域所处光纤段的空气孔中填充有液体，形成第一液柱。

进一步的，异质双悬挂芯光纤上还设置有包层经抛磨形成的第二抛磨区域，第一抛磨区域和第二抛磨区域不相连；第二抛磨区域位于小悬挂纤芯一侧，且抛磨平面与两悬挂纤芯中心连线垂直；第二抛磨区域的抛磨平面上镀有金属薄膜作为第二传感通道，两种金属薄膜是不同材料；第二抛磨区域所处光纤段的空气孔中填充有与第一液柱液体折射率不同的液体，形成第二液柱。

进一步的，传感器出射光谱中具有由SPR效应和共振耦合效应产生的不重叠的共振峰。

进一步的，小悬挂纤芯的直径范围为8.5至10.0μm，小悬挂纤芯与包层折射率差的范围为0.0045至0.0055，大悬挂纤的直径范围为11.5至13.0μm，大悬挂纤芯与包层折射率差为0.006至0.008，小悬挂纤芯和大悬挂纤芯之间的边缘间距范围为5至8μm。

进一步的，在液柱处，小悬挂纤芯中的基模和大悬挂纤芯中的LP₁₁模在某一波长下满足相位匹配条件，发生共振耦合，形成定向耦合器，共振耦合产生的共振峰位于不同波段。

进一步的，当只具备第一传感通道时，空气孔中填充液体折射率为1.444；或者，当具备第一传感通道和第二次传感通道时，空气孔中填充液体折射率分别为1.444和1.450。

进一步的，当抛磨区域外部折射率改变时，传感器出射光谱中SPR共振峰和共振耦合峰均发生漂移；当抛磨区域所处温度发生改变时，传感器出射光谱中SPR共振峰和共振耦合峰均发生漂移。