本發明屬于光纖傳感技術領域，尤其涉及一種折射率傳感器、其制備方法及折射率檢測裝置。

背景技術：

現有的用于測液體折射率的傳感器一般都是基于普通光纖制成的折射率傳感器，這種基于普通光纖制成的折射率傳感器靈敏度普遍比較低。

而基于光子晶體光纖(pcf，photoniccrystalfibers)的表面等離子共振(spr，surfaceplasmonresonance)傳感器也是一種折射率傳感器，主要就是用于測液體折射率的，這種基于光子晶體光纖的spr傳感器測液體折射率靈敏度高，但是現在關于這種基于光子晶體光纖的spr傳感器大多都停留在理論研究上，少有人提出真正的可實現的結構，這在很大程度上限制了pcf-spr傳感器的發展；因此，迫切需要提出一種可實現的pcf-spr傳感器。

技術實現要素：

本發明提供一種折射率傳感器、其制備方法及折射率檢測裝置，旨在提供一種結構簡單、使用方便并且靈敏度高的基于光子晶體光纖的表面等離子共振傳感器。

本發明提供了一種折射率傳感器，所述折射率傳感器包括：一段光子晶體光纖和嵌在所述光子晶體光纖的包層空氣孔中的探針；

所述光子晶體光纖的纖芯為實芯，嵌有探針的包層空氣孔與所述纖芯相鄰，所述探針為貴金屬探針，所述探針包括探身和探頭，所述探身為圓柱形結構，探頭為圓錐形結構，所述探身的其中一段嵌入所述包層空氣孔，所述探身的另一段和所述探頭裸露在外面。

進一步地，所述探針的個數為一根，一根所述探針嵌在所述光子晶體光纖的一個包層空氣孔中。

進一步地，所述貴金屬探針為金探針或銀探針。

進一步地，嵌入所述包層空氣孔中的一段探身的長度為0.5cm-2cm，裸露在外面的一段探身的長度為1μm-3μm，所述探頭的長度為0.5μm-2μm。

進一步地，所述光子晶體光纖的端面分布的包層空氣孔的整體形狀為六邊形。

本發明還提供了上述折射率傳感器的制備方法，其特征在于，包括：

用選擇性開孔技術在一段光子晶體光纖的一端選擇性打開包層空氣孔，而堵住其它包層空氣孔；

往所述光子晶體光纖選擇性打開的包層空氣孔中填充貴金屬；

將所述光子晶體光纖中填充的貴金屬加工成探針結構，制成具有探針結構的所述折射率傳感器。

進一步地，所述選擇性開孔技術包括：

將所述光子晶體光纖的一端與單模光纖熔接，且在距離熔接點10μm處切斷所述單模光纖，以使剩余的單模光纖薄片封住所述光子晶體光纖的全部包層空氣孔且所述包層空氣孔可見，利用飛秒激光微加工技術對任意與所述光子晶體光纖的纖芯相鄰的包層空氣孔選擇性開孔；

所述往光子晶體光纖選擇性打開的包層空氣孔中填充貴金屬包括：

將所述光子晶體光纖選擇性開孔的一端與玻璃管的一端熔接，并在玻璃管內放入貴金屬；在所述玻璃管的另一端接入高壓，同時對放置有所述貴金屬的那段玻璃管以及待填充的那段光子晶體光纖加熱，以使得所述高壓將融化后的貴金屬壓入所述光子晶體光纖的選擇性打開的包層空氣孔中；

所述將所述光子晶體光纖中填充的貴金屬加工成探針結構，制成探針結構的折射率傳感器，包括：

在所述貴金屬冷卻成型后，切除熔接的玻璃管和所述單模光纖薄片，對所述光子晶體光纖的填充有貴金屬的一端進行化學腐蝕，使部分圓柱形的貴金屬暴露出來，并對暴露出的圓柱形的貴金屬的頂端進行磨削，加工成圓錐形結構，從而形成所述探針。

本發明還提供了一種折射率檢測裝置，其特征在于，包括上述折射率傳感器。

進一步地，所述折射率檢測裝置還包括光源、光纖光譜儀和耦合器，所述耦合器的第一端和所述光源連接，第二端和所述光纖光譜儀連接，第三端和所述折射率傳感器連接。

進一步地，所述耦合器和所述折射率傳感器之間通過多模光纖連接；所述光源為連續寬帶光源，所述連續寬帶光源和所述耦合器之間沿光路方向還包括起偏器和偏振控制器，所述連續寬帶光源、起偏器、偏振控制器和耦合器依次連接，且通過單模光纖連接，所述光纖光譜儀和所述耦合器之間通過單模光纖連接。

本發明與現有技術相比，有益效果在于：本發明提供的一種折射率傳感器、其制備方法及折射率檢測裝置，其中，折射率傳感器為一種探針結構的傳感器件，包括一段光子晶體光纖和嵌在光子晶體光纖的與纖芯相鄰的包層空氣孔中的貴金屬探針，其具有體積小，結構簡單，集成度高的特點；并且，采用本發明提供的折射率檢測裝置對待測液體進行折射率檢測時，只需將折射率傳感器裸露在外面的探針部分置于待測液體環境中，通過檢測探針與纖芯中的光信號產生的表面等離子共振的共振峰波長的變化即可實現對待測液體折射率的檢測，使用起來比較方便，并且具有較高的靈敏度。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的一種折射率傳感器的示意圖；

圖2是本發明實施例提供的一種填充有貴金屬的光子晶體光纖端面分布的包層空氣孔為六邊形的橫截面的示意圖；

圖3是本發明實施例提供的一種折射率檢測裝置的示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

本發明提供了一種折射率傳感器，如圖1所示，所述折射率傳感器包括：一段光子晶體光纖10和嵌在所述光子晶體光纖的包層空氣孔中的探針11；所述光子晶體光纖10包括纖芯101和多個包層空氣孔102，所述纖芯101為實芯，嵌有探針11的所述包層空氣孔與所述纖芯101相鄰，所述探針11為貴金屬探針，所述探針11包括探身和探頭，所述探身為圓柱形結構，探頭為圓錐形結構，所述探身的其中一段嵌入所述包層空氣孔，所述探身的另一段和所述探頭裸露在外面。

具體地，本發明實施例提供的所述貴金屬探針為金探針；事實上，所述貴金屬探針也可以為銀探針。

具體地，嵌入所述包層空氣孔中的一段探身的長度為0.5cm-2cm，裸露在外面的一段探身的長度為1μm-3μm，所述探頭的長度為0.5μm-2μm。

具體地，本發明實施例提供的所述光子晶體光纖的端面分布的包層空氣孔為六邊形密排的結構，所述纖芯位于這種六邊形密排結構的包層空氣孔的中心，如圖2所示；事實上，本發明實施例提供的這種包層空氣孔為六邊形密排的光子晶體光纖也可以使用其它排布方式的光子晶體光纖替代，并且包層空氣孔的孔徑大小也沒有特殊的限制，只要將貴金屬填充入空氣孔可以與纖芯里傳輸的光信號產生的倏逝場實現表面等離子共振即可。

下面具體介紹這種折射率傳感器的制備方法：

步驟s1，用選擇性開孔技術在一段光子晶體光纖的一端選擇性打開包層空氣孔，而堵住其它包層空氣孔；

具體地，所述選擇性開孔技術包括：將光子晶體光纖的一端和單模光纖熔接，并利用顯微鏡輔助觀察的切割技術在距離熔接點約10μm處切斷單模光纖，目的是用一段單模光纖薄片封住光子晶體光纖的全部包層空氣孔，并且從所述單模光纖端面還能觀察到包層空氣孔的位置。利用飛秒激光微加工技術對與所述光子晶體光纖的纖芯相鄰的一個包層空氣孔選擇性開孔，以把需要填充的一個包層空氣孔打開。

具體地，本發明實施例是以在一個包層空氣孔中嵌入一根探針為例來講述該折射率傳感器的制備方法，本發明實施例提供的需要填充的一個包層空氣孔為與纖芯相鄰的空氣孔中的任意一個，通過在該包層空氣孔中填充金的方式來嵌入探針。

步驟s2，往所述光子晶體光纖選擇性打開的包層空氣孔中填充貴金屬；

具體地，采用的填充方法是將光子晶體光纖選擇性開孔的一端與玻璃管的一端熔接，并在玻璃管內放入金絲，在所述玻璃管的另一端接入高壓，同時對金絲放置在玻璃管中所處的那段以及光子晶體光纖需要填充的那段加熱，將金融化后，用高壓即可將金壓入光子晶體光纖的選擇性打開的包層空氣孔中。

具體地，所述玻璃管的外徑為125μm，與光子晶體光纖外徑相同，內徑為75μm；金絲的直徑為50μm，接入的高壓約為2mpa，金的熔點為1064.18攝氏度，在具體加熱的時候，會加熱到1100度，已經超過金的熔點。

步驟s3，將所述光子晶體光纖中填充的貴金屬加工成探針結構，制成具有探針結構的所述折射率傳感器；

具體地，將金填充進入之后冷卻凝固，變成圓柱形。然后將熔接的玻璃管和所述單模光纖薄片切下來，對所述光子晶體光纖的填充有金的一端進行化學腐蝕，使部分圓柱形的金暴露出來，并對暴露出的圓柱形的金的頂端進行磨削，加工成圓錐形結構，從而形成所述探針；該探針的探身的其中一段嵌在所述光子晶體光纖的包層空氣孔中，另一段和探頭裸露在外面。

事實上，關于上述步驟，不僅限于通過填充金的方式來嵌入探針，也可以通過填充銀的方式來嵌入探針。

本發明提供的一種折射率傳感器為一種新型探針結構的傳感器件，包括一段光子晶體光纖和嵌在光子晶體光纖的與纖芯相鄰的包層空氣孔中的貴金屬探針，其具有體積小，結構簡單，集成度高，穩定性好的特點，并且使用方便，可應用在生化領域。

本發明實施例還提供了一種折射率檢測裝置，如圖3所示，包括折射率傳感器1，還包括光源2、光纖光譜儀3和耦合器4，所述耦合器4的第一端和所述光源1連接，第二端和所述光纖光譜儀3連接，第三端和所述折射率傳感器1連接。

具體地，所述耦合器4和所述折射率傳感器1之間通過多模光纖連接，更具體地，所述折射率傳感器1和所述耦合器4的連接方式為，首先將光子晶體光纖沒有填充金的部分切掉，然后將露出的端面與所述多模光纖的一端熔接，另一端與所述耦合器4連接；所述光源2為連續寬帶光源，所述連續寬帶光源和所述耦合器4之間沿光路方向還包括起偏器5和偏振控制器6，所述連續寬帶光源、起偏器5、偏振控制器6和耦合器4依次連接，且通過單模光纖連接，所述光纖光譜儀3和所述耦合器4之間通過單模光纖連接。

具體地，所述耦合器為1×2光纖分束器，需要說明的是，本發明附圖中提供的是2×2光纖分束器，事實上，只需要1×2光纖分束器就可以滿足要求。

本發明提供的折射率檢測裝置的工作原理為：光源2輸出的光信號通過多模光纖傳導入光子晶體光纖結構探頭處，纖芯中的光信號在特定波長與包層空氣孔中的金實現表面等離子共振，由此產生的表面等離子激元(spp，surfaceplasmonpolariton)在微米范圍內具有一定的傳輸特性，分布到裸露出的金探針探頭。當金探針探頭周圍折射率的變化，會影響到探頭表面的spp，通過spp的傳導，進而使金與纖芯發生表面等離子共振的共振峰波長發生變化，纖芯中傳導的光信號的損耗峰由此出現位移，載有傳感信息的光信號在pcf的纖芯端面發生反射，通過光纖連接進入光譜儀4可實現對信號的檢測。

本發明提供的一種折射率檢測裝置對待測液體進行折射率檢測時，只需將折射率傳感器裸露在外面的探針部分置于待測液體環境中，通過檢測探針與纖芯中的光信號產生的表面等離子共振的共振峰波長的變化即可實現對待測液體折射率的檢測，利用金表面等離子體實現傳感應用具有較高的傳感靈敏度；并且，將金填充入光子晶體光纖制備而成的探針器件，光源的輸入光和反射回來的信號光都通過一根光子晶體光纖傳輸，傳輸過程中的損耗較少，具有較高的傳輸穩定性，提高了探針在傳感檢測中的易用性；另外，該折射率檢測裝置除了利用探針的表面等離子共振對液體折射率進行傳感之外，也可以對電磁場環境進行探測，將裸露在外面的探針置于待測電磁場中，當電磁場的信號強度發生變化時，利用探針的表面等離子共振，也可以實現檢測。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。