[發明專利]基于表面等離子體共振的高靈敏度寬測量范圍的折射率傳感器

有效

• 申請號: 201410558015.X
• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104280363A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發明（設計）人: 趙春柳;王小明;王雁茹;時菲菲
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/55
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，特別涉及基于表面等離子體共振的高靈敏度寬測量范圍的折射率傳感器。

背景技術

表面等離子體共振(Surface?Plasmon?Resonance，簡稱SPR)是指當光源發出的P型偏振復色光經過薄膜金屬與介質的交界面時，若滿足入射角大于全反射臨界角，在表面上形成了電子濃度的梯度分布，形成等離子體振蕩，形成表面等離子體波，由于表面倏逝波場與金屬復折射率的存在，使滿足諧振波長的光部分被吸收，其余波長的光被反射的現象。1968年，德國物理學家Otto和Kretschmann各自采用(Attenuated?Total?Reflection，簡稱ATR)的方法在實驗中實現了光頻波段的表面等離子體的激發。

在過去的二十多年中，由于基于Kretschmann結構的表面等離子體共振(SPR)傳感器高靈敏度和高分辨率特性，基于表面等離子體(SPR)的研究及其應用得到了越來越多人的關注，其主要應用于生物和化學傳感領域，目前基于Kretschmann結構的SPR分析儀已經商業化。基于Kretschmann結構的SPR傳感器的體積比較大，不利于SPR分析儀的集成，同時，基于該結構的SPR傳感器具有的測量范圍比較窄。2012年，香港城市大學的Siu?Pang?Ng等人發表于Optics?Express期刊的論文，結合基于Kretschmann結構的SPR傳感器、共光路干涉技術和載波解調技術測量NaCl溶液濃度的變化，對應折射率的變化范圍為1.3333～1.3648，實現了3×10^-2RIU的測量。但是該文中光路結構復雜，光路中使用雙折射晶體，增加成本。2013年，A.Giorgini等人在Optics?Letters發表基于光學諧振腔提高傳感靈敏度的方法，折射率測量范圍為1.320～1.332，1.2×10^-2RIU的變化。1993年，Jorgenson等人在實驗上實現了基于SPR的光纖化工傳感器，相比于棱鏡SPR傳感器，它具有體積小、響應快、成本低、可以實現在線實時監測等優勢，有著更大的研究前景和經濟價值。近些年，如何提高基于光纖表面等離子體共振(SPR)傳感器的靈敏度和測量范圍成為目前研究的熱點。在結構方面，構造等離子腔體結構是基于光纖表面等離子體共振(SPR)的提高測量靈敏度的一種方式。2005年，美國亞利桑那州立大學的Soame?Banerji等人發表Optics?Letters的文章指出，利用基于光纖的SPR雙傳感通道的傳感器可實現2×10^-4RIU分辨率的測量，折射率的測量范圍1.328～1.346，1.8×10^-2RIU折射率的測量范圍。該文中，在實驗前需要在一個鍍金膜的傳感區鍍聚合物，而且厚度100nm需要嚴格控制，加工工藝和傳感結構很復雜。綜上所述，基于棱鏡結構的表面等離子體共振(SPR)傳感器具有高的測量靈敏度，但測量范圍很窄，體積大；基于光纖結構的SPR傳感器，為了提高測量靈敏度，需要構造新的結構，測量范圍也比較窄，而且，不論是基于棱鏡結構還是光纖結構的SPR傳感系統的折射率測量范圍都是在10^-2RIU一下，這些缺點嚴重阻礙基于光纖結構的表面等離子體共振傳感器的發展和應用。

針對上述基于光纖結構的表面等離子體共振(SPR)傳感器感頭結構復雜、測量范圍窄、靈敏度低等問題，本發明提出一種基于表面等離子體共振的高靈敏度寬測量范圍的折射率傳感器，結構簡單，成本低，具有很強的實用價值。

發明內容

為了克服基于光纖結構的表面等離子體共振(SPR)傳感器感頭結構復雜、測量范圍窄、靈敏度低等問題，本發明提出一種結構簡單，成本低，具有很強的實用價值的基于表面等離子體共振的高靈敏度寬測量范圍的折射率傳感器，

本發明為解決技術問題所采取的技術方案：

基于表面等離子體共振的高靈敏度寬測量范圍的折射率傳感器，包括：寬帶光源、光隔離器、偏振控制器、微流通道、側邊拋磨單模光纖、載玻片上鍍有金膜的芯片、光譜儀、微流泵。