CN103398974B - 一种光纤传感器、制备方法及测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤传感器、制备方法及测量系统，光纤传感器包括D形光子晶体光纤，D形光子晶体光纤的横截面呈D形使得D形光子晶体光纤具有一平面，其平面附着有纳米金属传感层。本发明提供的光纤传感器采用D形光子晶体光纤，该D形光子晶体光纤可为空心光子晶体光纤且中心孔中填充有用于调控传输光的等效折射率和色散性的溶液，通过控制芯模的波矢长度改变表面等离子体共振的共振点，从而扩大由于外界环境变化引起的共振波长的移动，提高了传感器的灵敏度，实现了高精度的折射率测量，并可用于高灵敏度的生化反应分析的研究。
Description
技术领域
本发明属于光学传感器领域，更具体地，涉及一种光纤传感器、制备方法及测量系统。
背景技术
表面等离子体共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）检测技术是过去三十年中最成功的生化检测技术，广泛应用于蛋白质组学、细胞信号传导、受体/配体、抗体/抗原分子垂钓、免疫识别、癌症研究和新药筛选等生命科学领域，可实现蛋白质—蛋白质，蛋白质—核酸，新药分子—靶蛋白等生物分子相互作用过程的实时和动态研究，已成为生命科学和制药研究上的标准工具。近年来，由于光纤表面等离子体共振传感器具有结构紧凑、灵敏度高、可实时监测、易于实现特异性检测，而且不需要标记样品，以及原位（insitu）在线监测等优点，获得广泛的研究关注。光纤表面等离子体共振传感器通常使用传统的多模光纤或单模光纤。多模光纤表面等离子体共振传感器多采用塑料包层的大芯径多模光纤制作，它具有简单可靠、测量方便等优点，然而由于参与传感的模式数众多，这使得吸收峰的半高宽较宽，并且灵敏度较低；单模光纤的表面等离子体共振传感器性能相比多模光纤SPR传感器有所提高，但是由于结构过于简单，模场呈台阶式分布，对倏逝场的调控不够，灵敏度也相对较低。
光子晶体光纤是一种新型光纤，它具有很好的设计灵活性，可调节和控制光的传输模式和电磁场分布，从而实现比传统光纤更好的传输特性，在通信、传感等领域有着很好的应用前景。2006年Hassani等人提出了一种基于光子晶体的光纤表面等离子体共振传感器，通过将传感通道集成在光纤的包层中，可利用芯模直接在外环壁金属膜表面上激发表面等离子体波，从而实现高灵敏度的检测，但是这种传感器设计要求在靠近纤芯的空气孔内表面镀膜，因此传感器的制备非常困难，而且这种设计缺少在中间环节中的内孔薄膜成膜形态的检查手段。2012年刘德明等人提出了一种基于全固态光子晶体光纤侧抛的光纤表面等离子体共振传感器设计，它采用普通玻璃光子晶体光纤制备，但是由于没有充分利用光子晶体光纤对电磁场的调控作用，其灵敏度低。现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤传感器，其目的在于提高传感器的性能，且易于批量生产，由此解决现有技术由于没有充分利用光子晶体光纤对电磁场的调控作用，而导致传感器的性能不足的问题。
本发明提供了一种光纤传感器，包括D形光子晶体光纤，所述D形光子晶体光纤的横截面呈D形使得所述D形光子晶体光纤具有一平面，其所述平面附着有纳米金属传感层。
更进一步地，所述D形光子晶体光纤上设置有中心气孔和周围气孔，所述周围气孔在所述中心气孔的周围沿着轴向规则排列，所述周围气孔用于限制光场的外泄。
更进一步地，所述D形光子晶体光纤为空心光子晶体光纤，且所述空心光子晶体光纤的中心孔中填充有用于调控传输光的折射率和色散性的溶液。
更进一步地，所述溶液为甲醇和乙二醇的混合物。
更进一步地，所述D形光子晶体光纤也可为含氟塑料光子晶体光纤，所述含氟塑料光子晶体光纤的中心为实心且周围设置有限制气孔。
更进一步地，所述纳米金属传感层为金属平面膜、金属纳米粒子或金属阵列微结构。
更进一步地，所述金属平面膜的厚度为20nm-80nm。
所述金属膜可为不规则排列的纳米粒子，或具有微阵列结构的纳米金属附着物。
本发明还提供了一种光纤传感器的制备方法，包括下述步骤：
通过侧面抛磨工艺或激光微加工工艺，沿着轴向将光子晶体光纤加工成D形光子晶体光纤；
在光子晶体光纤的中心孔填充折射率调制液；
在所述D形光子晶体光纤的侧抛面附着一层厚度为纳米量级的金属膜后形成所述光纤传感器。
更进一步地，所述金属膜的厚度为20nm-80nm。
更进一步地，在所述D形光子晶体光纤的侧抛面具有一排气孔。
更进一步地，所述折射率调制液的折射率为1.33-1.40。
本发明还提供了一种光纤传感器测量系统，包括：依次连接的光源、偏振控制器和聚焦透镜，依次连接的检偏器、探测器和信号处理单元，输入端通过保偏光纤与所述聚焦透镜的输出端连接、且输出端通过保偏光纤与所述检偏器的输入端连接的耦合器，以及与所述耦合器的控制端连接且设置于待测溶液中的光纤传感器；工作时，光源发出的光经过偏振控制器变成垂直于光纤传感器侧抛面的线偏振光，线偏振光经过聚焦透镜被聚焦并耦合到保偏光纤中，由保偏光纤作为传输通道将光信号经由耦合器进入光纤传感器中进行传感，传感后的光信号在终端上被反射后再次经过传感区，通过耦合器由保偏光纤传输至检偏器过滤噪声后进入探测器进行光电转换，由信号处理单元进行信号解调，从而检测得到金属表面区域的折射率系数，并进一步获得传感器表面的待测信息。
本发明还提供了一种光纤传感器测量系统，包括：依次连接的光源、偏振控制器、聚焦透镜、第一保偏光纤、第一耦合器、光纤传感器、第二耦合器、第二保偏光纤、检偏器、探测器和信号处理单元；工作时，光源发出的光经过偏振控制器变成垂直于光纤传感器侧抛面的线偏振光，线偏振光经过聚焦透镜被聚焦并耦合到第一保偏光纤中，由第一保偏光纤作为传输通道经第一耦合器进入光纤传感器中进行传感，并通过第二耦合器耦合到连接检偏器的第二保偏光纤中，由检偏器过滤传感和传输过程中引入的噪声后进入探测器进行光电转换，由信号处理单元进行信号解调，从而检测得到金属表面区域的折射率系数，并进一步获得传感器表面的待测信息。
本发明还可采用低折射氟化物塑料光纤为基底，加工成D形，并在D形光子晶体光纤的平面镀纳米金属膜后形成光纤传感器；这种基底光纤具有较低的折射率系数和一定的色散性，能够调节控制光纤芯模的等效折射率，从而改变表面等离子体共振的共振点位置，提高了传感器的性能；且结构简单、使用方便、体积小，易于批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例提供的光纤传感器中D形光子晶体光纤的横截面示意图；（a）中光纤传感器采用低折射率高色散材料的塑料或特种玻璃材料；（b）中光纤传感器为全空气孔光子晶体光纤，并在中心孔填充具有低折射率的液体后，其纤芯的等效折射率仍大于气孔包层的等效折射率；(a)、(b)的工作模式为折射率引导型；(a)和(b)的设计可以调节光波矢，区别在于一个是材料属性固定的，另一个通过改变填充溶液配比还可以再次调整共振点位置。
图2是本发明实施例提供的D形光子晶体光纤表面等离子体共振传感器中填充折射率为1.39的液体时的共振图像，用于说明通过调节波矢后对共振位置的影响，该效果同样适用于基于含氟塑料光子晶体光纤的传感器设计；（a）-（e）为外部环境介质折射率为1.32-1.36时表面等离子体共振吸收光谱图；（f）为外部环境介质折射率与共振波长的对应关系，可以看出传感器在外部环境折射率[1.32-1.36]区间具有很好的线性关系。
图3是本发明实施例提供的D形光子晶体光纤表面等离子体共振传感器由于发生表面等离子体共振引起的电场增强效应，（a）为D形光子晶体光纤工作时横截面上的电场密度分布；（b）为D形光子晶体光纤的电场密度沿A线的分布。
图4是本发明实施例提供的D形光子晶体光纤表面等离子体共振传感器中填充不同折射率（1.46，1.44，1.42，1.40，1.39，1.38）的溶液后，传感器芯模与表面等离子体模耦合共振的物理图像；采用低折射材料的超材料制备成D形光纤表面等离子体共振传感器用于检测时具有相同的物理图像。
图5用于配置低折射率高色散的填充溶液的两种材料的色散曲线，即乙二醇和甲醇。
图6本发明实施例提供的终端反射式光纤表面等离子体共振传感器。
图7本发明实施例提供的在线传输式光纤表面等离子体共振传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的D形光子晶体光纤表面等离子体共振传感器是一种光学传感器，该传感器灵敏度高，是一种切实可行的高性能的光纤表面等离子体共振传感器，解决之前传统传感器在制备和性能上的缺陷；该传感器具有结构简单、灵敏度高、使用方便、体积小，易于批量生产等特点。
在本发明实施例中，光纤传感器是基于光子晶体光纤加工制备，并在D形光纤的平面镀纳米厚度的金属膜组成。通过侧面抛磨光子晶体光纤至一定深度，使得光纤形状成D形，其倏逝场易于泄露出来并在金属表面激发表面等离子体激元；光子晶体光纤的纤芯采用具有较低折射率和高色散性的材料或采用混合溶液填充光子晶体光纤的中心气孔，以调节控制纤芯中光的传输，改变表面等离子体激发时的共振点位置，从而提高传感器的灵敏度。
作为本发明的一个实施例，光子晶体光纤可采用具有低折射率高色散性的塑料或特种玻璃材料及掺杂工艺实现，其中低折射率相对于普通石英玻璃来说，即低于普通石英玻璃的折射率系数1.4457，推荐值为1.33-1.40，这种材料可以认为是metamaterial，一般通过掺氟可以降低材料的折射率，高色散也是相对石英玻璃来说，要求阿贝（Abbe）数值小于20。这种塑料光纤可为含氟聚合物材料，如聚六氟异丙基-2-氟代丙烯酸酯（poly（hexafluoroisopropyl2-fluoroacrylate），PHFIP2-FA），其折射率远远低于普通玻璃材料的折射率，而且这种极性材料的塑料光纤色散强，具有较小的阿贝数值。
作为本发明的一个实施例，D形光子晶体光纤可采用空芯光子晶体光纤，并在中心孔选择性填充溶液，通过选择中心孔的溶液成分实现对纤芯中传输光的调控，使得芯模具有较低的折射率（1.33-1.40）和高色散性，其中，填充溶液可以为甲醇和乙二醇的混合物；这两种材料的色散关系如图5所示，其中甲醇溶液具有较低的折射率，而乙二醇具有较高的折射率，醇类溶液互溶性好，满足调配需求；因为材料中含有丰富的极性OH根，溶液的色散性很强。当然这种填充溶液还可以是其它溶液混合而成。
该光纤传感器包括D形光子晶体光纤，所述D形光子晶体光纤的横截面呈D形使得所述D形光子晶体光纤具有一平面，该平面附着有纳米金属传感层。
在本发明实施例中，用于传感的金属结构可以为具有高电导率的贵金属薄膜，如通过物理蒸发制备的金、银、铂等，或者是金属纳米结构粒子，如采用化学方法制备的纳米颗粒，并涂敷在光纤表面；还可为具有微阵列结构的表面金属附着物，这种纳米阵列结构可通过电子束刻蚀制备，外加电磁场能够在这种亚波长长度的金属阵列结构上激发局域表面等离子体波（LocalizedSurfacePlasmonResonance,LSPR），局域表面等离子体波也能引起强烈的电场增强效应。岛状的纳米颗粒或金属阵列会对光子能量产生很强的共振吸收作用，共振吸收光谱的吸收波长取决于金属材料的微观结构特性，例如组成、形状、结构、尺寸、局域传导率。通过局域表面等离子体共振光谱可以实现高灵敏度的生化检测。
在本发明实施例中，制备上述液芯光纤传感器的方法具体包括：
通过侧面抛磨工艺或激光微加工工艺，沿着轴向将光子晶体光纤加工成D形光子晶体光纤；
在光子晶体光纤的中心孔填充折射率调制液；
在D形光子晶体光纤的侧抛面附着一层厚度为纳米量级的金属膜后形成所述光纤传感器。
其中，可以先加工成D形光子晶体光纤，再在光子晶体光纤的中心孔中填充折射率调制液，也可以先填充折射率调制液后再加工成D形光子晶体光纤。该折射率调制液的折射率为1.33-1.40。
在本发明实施例中，制备实心光纤传感器的方法具体包括：
采用低折射材料的含氟塑料光子晶体光纤为基底；
通过侧面抛磨工艺或激光微加工工艺将基底加工成D形光子晶体光纤；
在D形光子晶体光纤的平面镀一层厚度为纳米量级的金属膜后形成所述光纤传感器。
本发明实施例中，光子晶体光纤表面等离子体共振传感器采用低折射材料或空心光子晶体光纤填充溶液为基底，加工成D形后，镀纳米金属薄膜制备成光纤表面等离子体共振传感器。基底光纤可调节控制光纤芯模的等效折射率，从而改变表面等离子体共振的共振点位置，提高传感器灵敏度等性能。
作为本发明的一个实施例，光子晶体光纤可采用具有低折射率高色散性的塑料或特种玻璃材料及掺杂工艺实现，塑料光纤可为含氟聚合物材料，如聚六氟异丙基-2-氟代丙烯酸酯（poly(hexafluoroisopropyl2-fluoroacrylate)，PHFIP2-FA)，其折射率远远低于普通玻璃材料的折射率。
作为本发明的一个实施例，D形光子晶体光纤表面等离子体共振传感器可采用空芯光子晶体光纤，并在中心气孔中填充溶液，使得芯模具有较低的折射率（1.33-1.40）和高色散性(阿贝数Vd<20)，所述填充溶液可以为甲醇和乙二醇的混合物，通过改变中心孔填充溶液的比率实现对光纤传感器中芯模的调节。
如上文所述，金属膜可以为具有高电导率的贵金属薄膜，如金、银、铂等，由于金的化学性质稳定，是优选对象，厚度为20-80纳米；也可以是化学制备的贵金属纳米粒子，涂敷在侧抛平面上；也可以采用电子束刻蚀方法，在侧抛面上制备纳米金属阵列。
在本发明实施例中，光子晶体光纤为侧面抛除的D形光纤，可采用机械抛除或激光微加工实现，加工后的光纤在抛除侧保留一排气孔以约束光的传播，同时有利于倏逝场的泄露和表面等离子体波的激发。光子晶体光纤上设置有中心气孔和周围气孔，所述周围气孔在中心气孔周围沿着轴向规则排列，周围气孔可为不规则形状或呈现不同形态的分布。其中，不同形态是指周围气孔可以是圆孔、三角形气孔或椭圆气孔等，可以比较聚集也可以大小不同。在本发明实施例中，只要求用气孔限制住光场的外泄就可以。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的光纤传感器，现结合附图详述如下：
图1示出了本发明实施例提供的D形光子晶体光纤表面等离子体共振传感器截面示意图。图1中（a）采用低折射率高色散材料的塑料或特种玻璃材料；（b）为全空气孔光子晶体光纤，并在中心孔填充具有低折射率的液体后，其纤芯的等效折射率仍大于气孔包层的等效折射率，；(a)、(b)工作模式为折射率引导型。
其中，低折射率、高色散液体可为甲醇和乙二醇的混合溶液，可通过溶液的配比调节光纤芯模的等效折射率。纤芯周围沿着轴向规则排列微小气孔。沿着所述轴向侧抛光纤，侧抛后保留第一层包层气孔。在侧抛平面沉积纳米级的金属膜，薄膜厚度小于100nm即可，优选为20nm-80nm。由于采用了侧抛等加工后，光纤中传播的芯模容易泄露到外表面，其倏逝波的电场分量会引起上表面金属膜中的自由电子振荡；在特定的界面布局下，该布局支持的表面等离子体传播模式应满足麦克斯韦方程组，即该条件下的表面等离子体模。其当D形光子晶体光纤传导模的波矢与表面等离子体模的波矢相等时，此时倏逝波激发的自由电子振荡满足表面等离子体模式，产生强烈的共振，使得倏逝波的能量转移形成表面等离子体波，该共振的数学表示为传导模的有效折射率实部与表面等离子体模的有效折射率实部相等。当环境介质折射率的改变，即界面的布局发生改变，其表面等离子体共振频率（或共振波长）也随之发生变化，共振频率变化越大，其灵敏度越高。通过测量表面等离子体共振时的共振频率变化就可以研究金属膜表面上的质量负载，并应用于生化传感中的免疫结合过程检测。
在本发明实施例中，通过改变光子晶体光纤的制备材料或者在光子晶体光纤的中心气孔填充溶液，可以控制光纤传感器中芯模的传输状态，从而有利于提高传感器的性能。由于填充溶液直接有效，也更容易实现，以下我们将以在空心光子晶体光纤的中心气孔填充溶液来说明。
图2为在空气芯光子晶体光纤中心气孔填充无色散低折射率液体（RI=1.39）时传感器的共振图像，（a）-（e）分别为外部环境介质折射率变化为1.32-1.36的共振图像；（f）为外部环境介质折射率与共振波长的对应关系；图中线S1表示所述光纤传感器等离子体模有效折射率的实部，线S2表示所述芯模有效折射率的实部，在线S1与线S2的交点位置光纤传感器的表面等离子体模与芯模的相位匹配，光纤中泄露的倏逝波在金属膜内激发表面等离子体激元，产生强烈共振。线S3表示所述光纤传感器芯模有效折射率的虚部，该数值也正比于传感器的损耗。当环境介质发生改变时，共振频率发生改变，即线S1与线S2的交点位置改变。所述光纤表面等离子体共振传感器就是通过共振频率的改变来检测外部环境的折射率变化，进而获得金属表面的质量负载变化，并研究生物化学反应的相互作用过程。
如图3所示，发生表面等离子体共振时，光纤传感器芯模的能量泄露到金属层中，激发金属膜中的自由电子产生集体振荡，形成表面等离子体共振现象，并在共振界面上产生显著的电场增强。图3中图（a）为截面示意图，线A为示意线；图（b）表示电场密度在示意线上的分布，通常情况下电场的分布从中心位置向外逐步降低，可以看出由于发生共振，在金属膜高度位置出现一个非常锐利的电场峰，这就是由于发生表面等离子体共振而引起的电场增强效应。
在本发明实施例中，通过填充溶液调整芯模区域的波矢长度，可以改变共振点位置，也即共振频率发生变化，并进一步扩大不同环境折射率下的共振波长的差值，从而实现表面等离子体共振传感器性能的提高。图4表示在空气芯光子晶体光纤中心气孔填充不同溶液后，所述共振点在共振图像上的直观表示，圆点连线S4和菱形点连线S5分别表示环境介质折射率为1.33和1.34时的表面等离子体模。可以看出，随着填充液体的折射率降低，纤芯传导模有效折射率降低，图中用不同标记点的黑线L1、L2、L3、L4、L5和L6表示，其与线S4、线S5的交点逐渐下移，同时两交点之间的波长差值显著增加，因此填充较低折射率的液体后所述传感器的灵敏度显著提高，大大超过了纤芯为石英玻璃材料（普通光纤材料的折射率系数为1.4457）时的灵敏度。
如图4中线S6所示，当溶液为高色散液体时，其灵敏度计算使用两个不同的芯模折射率与线S4和线S5的交点，也即图中两个黑点，传感器的性能将进一步得到提高。而采用带有极性基团的溶液，如甲醇和乙二醇，可以很容易获得高的色散性能，甲醇和乙二醇的阿贝尔数分别为13.66和12.86，而普通光纤的材料通常采用低色散玻璃适应信号通讯需求，因此其色散性很弱，其阿贝数约为68。通过调整芯模的斜率，可获得更大的共振波长的移动，如图4中的线S6所示，相比于原来无色散时的两交点位置，采用高色散混合溶液使得芯模的等效折射率线斜率增大，并进一步加大共振波长的差值，从而大大提高传感器的灵敏度。
本发明还提供了一种D形光子晶体光纤表面等离子体共振传感器测量系统，其中，该测量系统包括：光源、偏振控制器、聚焦透镜、保偏光纤、耦合器、光纤传感器、检偏器、探测器和信号处理单元；系统各个组件如图6或图7所示依次连接；测量系统可采用前向传输式布局（如图6所示）或端面反射式布局（如图7所示）。
图6中，光源发出的光经过偏振控制器变成垂直于侧抛面的线偏振光，偏振光经过聚焦透镜被聚焦并耦合到保偏光纤中，由保偏光纤作为传输通道将光信号经由耦合器进入光纤传感器中进行传感，传感后的光信号在终端上被反射后再次经过传感区，通过耦合器由保偏光纤传输至检偏器过滤噪声后进入探测器进行光电转换，由信号处理单元进行信号解调，从而检测得到金属表面区域的折射率系数，并进一步获得传感器表面的待测信息。
图7中，光源发出的光经过偏振控制器变成垂直于侧抛面的线偏振光，线偏振光经过聚焦透镜被聚焦并耦合到第一保偏光纤中，由第一保偏光纤作为传输通道经第一耦合器进入光纤传感器中进行传感，并通过第二耦合器耦合到连接检偏器的第二保偏光纤中，由检偏器过滤传感和传输过程中引入的噪声后进入探测器进行光电转换，由信号处理单元进行信号解调，从而检测得到金属表面区域的折射率系数，并进一步获得传感器表面的待测信息。
在本发明实施例中，在D形光纤表面等离子体传感器中，由于只有垂直于金属膜表面的电场分量才能驱动自由电子振荡，因此引入偏振控制器并采用保偏光纤连接有利于控制和保持传导光的偏振态，消除S偏振光的本底效应。终端反射式传感器在传感器的一端镀上全反射膜，反射膜采用金膜，其厚度大于300nm。作为本发明的一个实施例，光源可以为宽带白光光源。偏振光控制器控制参与传感的光为电场矢量垂直于侧抛平面的光分量，也即P偏振光。采用保偏光纤以保持光在传输过程中的偏振态。聚焦透镜控制P偏振光聚焦入射到光纤中。光源发出宽带白光，通过偏振控制器输出P偏振光，经聚焦透镜耦合到传导光纤中，再经耦合器进入D形光子晶体光纤表面等离子体共振传感器进行探测。在图6中终端反射式的结构中，受到外界调制的光到达镀有反射镜的端面后发生发射，再次经过传感区并经耦合器进入探测器，最后由信号处理单元对信号进行处理；在图7在线传输式的结构中，受到调制的光直接耦合到探测器。
在本发明实施例中，偏振控制器控制参与传感的光为电场分量垂直于侧抛面的光；通过偏振控制器和检偏器可以保证只有P偏振的光参与传感，而采用保偏光纤则可以保持光在传输中的偏振态，信号处理单元可以协助处理光信号的偏振分量，通过这些组件可显著提高传感器的信噪比。D形光子晶体光纤表面等离子体传感器测量系统的信号处理过程分为两步，第一步，用D形光子晶体光纤表面等离子体共振传感器测量系统分别测量背景信号、参考信号及待测溶液信号的强度，第二步，将待测溶液信号减去背景信号的强度与参考信号减去背景信号的强度的比值作为折射率或生物、化学分子测量参量。
在本发明实施例中，D形光子晶体光纤表面等离子体共振传感器具有外部平面，因此不仅制备金属传感层和生化传感的功能薄膜非常方便简单，而且薄膜的性质和状态都可以监测，从而确保传感器的可靠性。从图4中可以看出，通过控制芯模的波矢长度，能够改变表面等离子体共振的共振点，而且相比于传统的石英玻璃纤芯，这种设计大大提高了传感器的灵敏度，从而实现高精度的折射率测量，并可应用于生物化学、免疫检测等传感应用。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，将低折射率高色散材料的D形光子晶体光纤用于折射率和生物、化学分子的测量，以及根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (12)
1.一种光纤传感器，其特征在于，包括D形光子晶体光纤，所述D形光子晶体光纤的横截面呈D形使得所述D形光子晶体光纤具有一平面，其所述平面附着有纳米金属传感层；
所述D形光子晶体光纤为空心光子晶体光纤，且所述空心光子晶体光纤的中心孔中填充有用于调控传输光的折射率和色散性的溶液。
2.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述D形光子晶体光纤上设置有中心气孔和周围气孔，所述周围气孔在所述中心气孔的周围沿着轴向规则排列，所述周围气孔用于限制光场的外泄。
3.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述溶液为甲醇和乙二醇的混合物。
4.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述D形光子晶体光纤为含氟塑料光子晶体光纤，所述含氟塑料光子晶体光纤的中心为实心且周围设置有限制气孔。
5.如权利要求1-4任一项所述的光纤传感器，其特征在于，所述纳米金属传感层为金属平面膜、金属纳米粒子或金属阵列微结构。
6.如权利要求5所述的所述光纤传感器，其特征在于，所述金属平面膜的厚度为20nm-80nm。
7.一种光纤传感器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
通过侧面抛磨工艺或激光微加工工艺，沿着轴向将光子晶体光纤加工成D形光子晶体光纤；
在光子晶体光纤的中心孔填充折射率调制液；
在所述D形光子晶体光纤的侧抛面附着一层厚度为纳米量级的金属膜后形成所述光纤传感器。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述金属膜的厚度为20nm-80nm。
9.如权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，在所述D形光子晶体光纤的侧抛面保留有一排气孔。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述折射率调制液的折射率为1.33-1.40。
11.一种光纤传感器测量系统，其特征在于，包括：依次连接的光源、偏振控制器和聚焦透镜，依次连接的检偏器、探测器和信号处理单元，输入端通过保偏光纤与所述聚焦透镜的输出端连接、且输出端通过保偏光纤与所述检偏器的输入端连接的耦合器，以及与所述耦合器的控制端连接且设置于待测溶液中的如权利要求1-6任一项所述的光纤传感器；
工作时，光源发出的光经过偏振控制器变成垂直于光纤传感器侧抛面的线偏振光，线偏振光经过聚焦透镜被聚焦并耦合到保偏光纤中，由保偏光纤作为传输通道将光信号经耦合器传输到光纤传感器中进行传感，传感后的光信号在终端上被反射后再次经过传感区，通过耦合器由保偏光纤传输至检偏器过滤噪声后进入探测器进行光电转换，由信号处理单元进行信号解调，从而检测得到金属表面区域的折射率系数，并进一步获得传感器表面的待测信息。
12.一种光纤传感器测量系统，其特征在于，包括：依次连接的光源、偏振控制器、聚焦透镜、第一保偏光纤、第一耦合器、如权利要求1-6任一项所述的光纤传感器、第二耦合器、第二保偏光纤、检偏器、探测器和信号处理单元；
工作时，光源发出的光经过偏振控制器变成垂直于光纤传感器侧抛面的线偏振光，线偏振光经过聚焦透镜被聚焦并耦合到第一保偏光纤中，由第一保偏光纤作为传输通道经第一耦合器进入光纤传感器中进行传感，并由第二耦合器耦合到连接检偏器的第二保偏光纤中，经检偏器过滤传感和传输过程中引入的噪声后进入探测器进行光电转换，由信号处理单元进行信号解调，从而检测得到金属表面区域的折射率系数，并进一步获得传感器表面的待测信息。
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