纖維集成SPR傳感器研究.pdf

1、表面等離子體共振光學(xué)現(xiàn)象在分析生物材料和環(huán)境檢測(cè)方面有著廣泛的應(yīng)用。SPR傳感平臺(tái)通常是基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的，由高導(dǎo)電金屬（常見(jiàn)的是金或者銀）薄層覆蓋在棱鏡表面組成。相比于空間棱鏡結(jié)構(gòu)的SPR傳感設(shè)備需要流體處理系統(tǒng)給傳感探頭送樣，光纖SPR傳感探針具有小型化，可以直接浸泡在待測(cè)溶液中的優(yōu)點(diǎn)。但光纖SPR傳感器尚未商業(yè)化，存在靈敏度低、共振入射角度調(diào)節(jié)困難、實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)量困難等問(wèn)題。本論文利用將光路和光器件集成至單根光纖中，

2、形成一系列新型、微型、特種光器件的纖維集成光學(xué)核心思想，開(kāi)展多芯光纖SPR傳感器探索，圍繞單模光纖SPR提高靈敏度，利用研磨技術(shù)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)范圍，多芯光纖SPR波分時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)量等亟待解決的光纖SPR問(wèn)題進(jìn)行研究：
　　1.制作多模光纖SPR探針，搭建光纖 SPR實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)多模光纖中的入射光角度不易受控制，共振曲線相當(dāng)于多個(gè)角度激發(fā)的共振曲線疊加而成，影響傳感器的靈敏度和精度。進(jìn)行了單模錐角結(jié)構(gòu)SPR探針驗(yàn)證性

3、實(shí)驗(yàn)，首次提出一種實(shí)用型單模光纖SPR傳感器——單模光纖錐角結(jié)構(gòu)SPR傳感器，大幅提高光纖SPR傳感器靈敏度。通過(guò)改變研磨角度調(diào)節(jié) SPR光源入射角，從而調(diào)節(jié)光纖 SPR傳感器的靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出雙芯光纖端面反射式SPR傳感探針，并將此傳感器與微流芯片復(fù)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)微流通道中流動(dòng)液體折射率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。制作的光纖SPR傳感器靈敏度達(dá)5213nm/RIU。
　　2.光纖 SPR波分復(fù)用技術(shù)研究。（1）透射式：提出基于

4、偏芯光纖的分布式級(jí)聯(lián) SPR傳感器。兩級(jí)研磨角度分別為9°和17°時(shí)，該系統(tǒng)在折射率1.333-1.385范圍內(nèi)，平均靈敏度分別達(dá)2826nm/RIU和4738nm/RIU。（2）反射式：提出雙芯光纖錐形反射分布式SPR傳感器。將錐尖兩傳感斜面研磨成不同的角度，形成反射分布式光纖SPR傳感器。將其復(fù)合封裝在針頭中可方便的插入血管，進(jìn)行活體在線監(jiān)測(cè)。用彈性微流控材料PDMS制作了模擬血管及血管外組織的微流控器件，進(jìn)行模擬測(cè)試。
　　

5、3.首次提出多芯光纖利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)的多通道 SPR傳感器。（1）透射式光纖 SPR時(shí)分復(fù)用技術(shù)：多芯光纖的每個(gè)纖芯作為一個(gè)傳感區(qū)域，通過(guò)分別對(duì)每個(gè)纖芯的注光，實(shí)現(xiàn)每個(gè)纖芯對(duì)應(yīng)傳感區(qū)的獨(dú)立多通道傳感。（2）反射式光纖SPR時(shí)分復(fù)用技術(shù)：在七芯光纖端面通過(guò)光纖研磨技術(shù)將多芯光纖加工成對(duì)稱的三對(duì)錐角結(jié)構(gòu)，從而形成三通道反射式多通道SPR傳感器。
　　4.光纖SPR多通道混合技術(shù)研究。（1）首次提出并制作雙芯光纖四通道SPR傳感器，雙芯

6、光纖利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)（并聯(lián)）分成兩路，然后在每路上利用波分復(fù)用技術(shù)（串聯(lián)）實(shí)現(xiàn)雙通道。（2）多芯光纖時(shí)分復(fù)用技術(shù)多通道光纖SPR傳感器，在接收光纖上再制作一級(jí)傳統(tǒng)透射式光纖SPR傳感探針，將波分復(fù)用技術(shù)和時(shí)分復(fù)用技術(shù)結(jié)合后，可將多芯光纖的通道數(shù)量增加一倍。（3）深入研究膜厚對(duì)光纖SPR靈敏度及動(dòng)態(tài)范圍的影響，通過(guò)將單模光纖錐角結(jié)構(gòu)SPR反射光注入125μm階躍折射率塑料包層光纖，并在塑料包層光纖上制作透射式光纖 SPR傳感器，實(shí)現(xiàn)光纖

7、SPR分布式傳感器，兩級(jí) SPR傳感器分別通過(guò)研磨角度和鍍制膜厚改變即可連續(xù)調(diào)節(jié) SPR動(dòng)態(tài)范圍，克服了分布式光纖SPR傳感器難于在有限波長(zhǎng)檢測(cè)范圍內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)易于區(qū)分的共振谷的難題。
　　綜上所述，本課題提出實(shí)用的單模光纖SPR探針，有效提高了光纖SPR靈敏度；對(duì)光纖SPR波分復(fù)用與時(shí)分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行研究，首次提出多芯光纖實(shí)現(xiàn)SPR波分與時(shí)分復(fù)用方案并進(jìn)行驗(yàn)證，推進(jìn)光纖SPR多通道實(shí)用技術(shù)的發(fā)展；首次進(jìn)行混合技術(shù)的光纖SPR多通道技