[發明專利]一種基于SPR原理的相對介電常數測量系統

在審

• 申請號: 202011328623.3
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112305318A
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 成煜;熊民;苑立波;陳明
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供的是一種基于SPR原理的相對介電常數測量系統。其特征是：它由寬譜光源、光纖起偏器、保偏光纖、保偏光纖環形器、保偏傳感光纖、金膜、梯形槽、傳輸光纖、光譜分析儀、信號處理系統和膠頭滴管組成。所述系統中首先用膠頭滴管吸取μL待測液體于梯形槽結構中，接著寬譜光源發出的光經由光纖起偏器，使輸入光轉化為P偏振光后由保偏光纖傳輸至三端口保偏光纖環行器再進入保偏傳感光纖，在金膜處發生SPR效應，并經特殊的梯形槽結構反射回保偏光纖環形器，接著經傳輸光纖將反射信號傳輸至光譜分析儀，最后由信號處理系統分析光譜儀所得數據從而得出待測液體的相對介電常數。

(一)技術領域

本發明涉及的是一種基于SPR原理的相對介電常數測量系統，可用于液體相對介電常數檢測、生物傳感器方向，具體涉及一種操作簡單、采樣少、可重復使用、SPR易激發的相對介電常數檢測裝置和方法，屬于SPR光纖傳感技術領域。

(二)背景技術

表面等離子體共振(SPR)是一種當入射光波和金屬導體表面的自由電子相互作用時可能產生的一種物理光學現象，即如果在兩種介質中存在幾十納米的金屬薄膜，當滿足全反射條件時，產生的倏逝波將進入金屬薄膜，并與金屬薄膜中的自由電子相互作用，從而激發出沿金屬薄膜表面傳播的表面等離子體波，在其反射譜上顯示出共振吸收峰，此時入射光的角度或者波長稱為SPR的共振角或共振波長。由于共振角(波長)對外部介質的相對介電常數特別敏感，因此利用這一特性，SPR已經在環境檢測、生物分子檢測等領域有著廣泛的應用。

由于表面等離子體共振是通過光在光纖里傳播過程中產生泄露光從而激發SPR，故有大量工作集中于通過改變結構從而實現各種形式的SPR激發狀態，如對光纖側邊拋磨成D形結構，引進光子晶體等手段，在一定程度上改進了之前SPR共振峰強度和激發條件的相位匹配問題。申請人于2015年公開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(中國專利：201410558015.X)提出了側邊拋磨單模光纖結構，利用微流通道折射率的微小變化從而引起SPR諧振波發生偏移，但這種方式存在SPR激發困難的原理性問題，一方面纖芯與激發所需的金膜之間存在一定厚度的包層，而倏逝光在包層傳輸損耗較大，另一方面對于入射光在介質之間能否滿足全反射這一前提條件對入射光有一定的調控要求；申請人于2017年公開的基于D型光纖SPR折射率傳感模型(中國專利：201710306378.8)提出了一種截面為D型的光纖，并在上面鍍上一層石墨烯層以增強納米層SPR折射率傳感，該專利解決了SPR激發困難的問題，但這種方式存在所需待測液體樣本大，測量范圍窄等問題；申請人于2020年公開的一種反射式TFBG-SPR折射率傳感器，該種方式有效的解決了對于入射光的入射角度需要嚴格控制的問題，即可以通過調節傾斜光柵的斜度從而間接良好的滿足入射光的入射方向問題，但與此同時，也存在著待測樣品量大，光柵結構制作工藝難等問題。

本發明公開了一種基于SPR原理的相對介電常數測量系統，可用于液體相對介電常數檢測、生物傳感器方向。它采用內部挖有梯形槽為主體的保偏傳感光纖，通過設計不同的角度θ可以間接滿足全反射條件，與此同時，在梯形槽斜面直接鍍上一層金膜，增大了SPR激發容易程度，用膠頭滴管移取待測液體于梯形槽即可測量液體相對介電常數，擁有小樣本測量等優點，此外，該結構采用保偏光纖環行器將保偏光纖、保偏傳感光纖和傳輸光纖連接起來，使保偏光纖傳感器反射的信號全部耦合到傳輸光纖中，與在先技術相比，由于光纖環形器的使用，消除了反饋回光源的信號，提高了光源的穩定性。

(三)發明內容

本發明的目的在于提供一種操作簡單、采樣少、可重復使用、SPR容易激發的相對介電常數檢測裝置和方法。

本發明的目的是這樣實現的：

一種基于SPR原理的相對介電常數測量系統。其特征是：它由寬譜光源1、光纖起偏器2、保偏光纖3、保偏光纖環形器4、保偏傳感光纖5、金膜6、梯形槽7、傳輸光纖8、光譜分析儀9、信號處理系統10和膠頭滴管11組成。

所述的三端口保偏光纖環形器由保偏光纖、保偏傳感光纖和傳輸光纖三部分組成。