(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210721885.9 (22)申请日 2022.06.24 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路2号 (72)发明人 梁瑜章　魏欣然　何浩　彭伟　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 许明章　王海波 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/552(2014.01) (54)发明名称 一种宽带可调谐的光纤表面等离激元传感 探针 (57)摘要 本发明属于微纳光子学及光纤传感技术领 域， 提出了一种宽带可调谐的光纤表 面等离激元 传感探针， 利用光学胶将三层的光栅耦合结构集 成到光纤端面上。 在光栅衍射的作用下， 入射光 可以在金属膜的内表面和外表面分别激发出表 面等离激元， 使反射谱中出现两个共振峰， 利用 反射谱中的两个共振峰飘移可以分别实现对生 物分子和超声波的检测。 该传感器的优势在于， 通过改变纳米光栅的周期， 两个 反射共振峰 的位 置可以在可见光和近红外范围内连续调谐， 这突 破了传统光纤表面等离激元激发波长难以扩展 到近红外波长的问题， 在生物检测、 化学分析、 以 及超声波检测等方面有着广泛的应用前 景。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 115219422 A 2022.10.21 CN 115219422 A 1.一种宽带可调谐的光纤表面等离激元传感探针， 其特征在于， 该宽带可调谐的光纤 表面等离激元传感探针的共振波长具有两种共振模式， 两种共振模式分别对应两种不同的 应用场景， 即高灵敏免标记生 化检测以及高灵敏超声检测； 宽带可调谐的光纤表面等离激元传感探针包括光纤和光栅耦合结构； 光栅耦合结构通 过光学胶固定于光纤端面； 光栅耦合结构分为三层， 依 次为光栅、 电介质和金属膜； 光栅与 光学胶接触固定， 金属膜与待测溶 液接触； 光束从光纤纤芯内发出， 进入光学胶内与光栅接触； 基于光栅衍射的原 理， 短波长的入 射光通过光栅后以一级衍射角斜入射至电介质中， 在电介质与金属膜的分 界面处产生倏逝 波； 长波长的入射 光在光栅与电介质的分界面处形成倏逝波； 当满足波矢匹配条件时， 短波长的入射光激发金属膜与待测溶液接触面处 的表面等离 激元， 此为宽带可调谐的光纤表面等离激元传感探针的第一种共振模式； 长波长的入射光 激发金属膜与电介质接触面的表面等离激元， 此为宽带可调谐的光纤表面等离激元传感探 针的第二种共振模式； 第一种共振模式下， 不同待测溶液折射率产生不同的短波长共振峰， 从而实现对待测物的检测； 第二种共振模式下， 光学胶的折射率因超声波的作用改变， 长波 长共振峰发生飘移， 实现对 超声波的检测。 2.根据权利要求1所述的宽带可调谐的光纤表面等离激元传感探针， 其特征在于， 所述 光束垂直入射至光 栅处。 3.根据权利要求1或2所述的宽带可调谐 的光纤表面等离激元传感探针， 其特征在于， 所述光栅的周期根据目标共振波长来确定； 此外， 使用一定波长范围的入射光可令光束只 产生一级衍射角， 忽略高阶衍 射的影响。 4.根据权利要求1所述的宽带可调谐的光纤表面等离激元传感探针， 其特征在于， 所述 波矢匹配条件具体 为， 当光束均满足 时， 宽带可调谐的光纤表面等离激元传感探针 只存在第一种共振模式； 当所有的光束均满足 时， 宽带可调谐的光纤表面等离激元 传感探针只存在第二种共振模式； 当光束内既存在 的波长， 又存在 的波长 时， 两种共 振模式同时存在； 其中， λ为 光束波长， p为 光栅的周期， n2为电介质的折 射率。 5.根据权利要求1所述的宽带可调谐的光纤表面等离激元传感探针， 其特征在于， 所述 光纤选用单模光纤或多模光纤。 6.根据权利要求1所述的宽带可调谐的光纤表面等离激元传感探针， 其特征在于， 所述 光栅通过微纳加工技术或模板转移法方法制作而成； 光栅材料为金属； 光栅周期决定宽带 可调谐的光纤表面等离激元传感探针的工作波段； 当需要特定的共振波长时， 结合光栅衍 射公式和波矢匹配方程给 出对应的光 栅周期。 7.根据权利要求1所述的宽带可调谐的光纤表面等离激元传感探针， 其特征在于， 所述 共振模式从可 见光拓展到 近红外以及中红外波段。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115219422 A 2一种宽带可调谐的光纤表面等离激元传感 探针 技术领域 [0001]本发明涉及 微纳光子学及 光纤传感技术领域， 尤其涉及 一种宽带可调谐的光纤表 面等离激元传感探针。 背景技术 [0002]与传统的检测技术相比， 表面等离激元共振(Surface  Plasmon Resonance,SPR) 检测技术具有灵敏度高、 抗干扰能力强、 免标记、 可以实时检测等优势， 在生命科学、 医疗检 测、 食品检测等领域具有广泛的应用前景。 但当前商用的SPR检测系统一般都是棱镜型SPR 传感器， 它们一般体积 较大、 系统比较复杂， 不符合如今人们对小 型化、 便携化的追求， 详见 Hlubina,P,et  al.Spectral  interferometry ‑based surface plasmon resonance   sensor。 而光纤型SPR传感器由于拥有小型化、 可远程遥感等优势， 可以克服上述的限制而 被广泛研究， 是现阶段最有发展潜力的检测技术之一， 详 见Micheletto  R,et al.Modeling   and test of fiber‑optics fast SPR sensor forbiological  investigation.B osch M  E,et al.Recent  development  in optical fiber biosensors.Yao  Y,et al.Surface   plasmon resonanc e biosensors and its application.为了使传感器适应在各种环境下 的检测， 人们已经提出了许多调谐光谱中共振波长的方法， 如改变纳米结构的材料、 膜厚、 形状、 结构和尺寸 等。 [0003]目前， 研究人员对光纤型SPR传感器的研究大多集中在光纤侧面上， 通过在光纤侧 面上激发金膜表面等离激元(Surface  Plasmons,SPs)从而实现对外部环境的检测， 例如倾 斜光纤布拉格光栅(TFBG)等， 详见Caucheteur  C,et al.Ultrasensitive  plasmonic   sensing in air using optical fibre spectral  combs.Wang  R,et al.Operando   monitoring  of ion activities  in aqueous batteries  with plasmonic  fiber‑optic  sensors.但是传 统的SPR光纤传感器件的共振波长难以连续地调谐， 且对入射光的角度要 求较高， 一般只能在可见光波段实现生化检测等功能。 此外， 相对于集成到光纤侧壁的传感 器， 在光纤端集成SPR器件可插入少量样品， 直接通过dip ‑and‑read读取信号， 这极大地降 低了操作的难度。 因此， 设计出一种可以有效地连续调谐光纤端面上SPs激发波长， 并将工 作波段突破至 近红外或中红外区域的结构具有十分重要的意 义。 [0004]本发明结合光纤型SPR传感器 的检测优势以及光栅衍射原理， 设计出一种宽带可 调谐的光纤表面等离激元传感探针， 其共振波长可连续调谐且能用于多种不同的应用场 景。 发明内容 [0005]本发明旨在 提出一种宽带可调谐的光纤表面等离激元传感探针， 并且可用于高灵 敏的生化检测和超声波检测， 是一种新型的SPR光纤传感器结构 。 该发明利用光栅的衍射作 用， 使垂直入射的光束产生倾角并激发金属膜与待测物之间的表面等离激元， 实现待测物 折射率变化的检测。 该技术能够实现在 共振波长在宽谱范围内调控， 并且具备灵敏高、 响应说　明　书 1/4 页 3 CN 115219422 A 3