基于光纖的微型表面等離子體共振傳感器

1、畢業(yè)設計說明書英文文獻及中文翻譯信息與通信工程學院10051041學生姓名： 學號： 光電信息工程學 院： 專 業(yè)： 指導教師： 2014 年 6 月(紀念已逝的大學生活)基于光纖的微型表面等離子體共振傳感器 摘要：一項創(chuàng)新性設計表面等離子體共振（SPR）傳感器被公布。此傳感器基于高級微型光纖傳感原理制作完成，且有很高的靈敏度。在邊緣拋光的單模光纖上附著一層金屬薄膜，表面等離子體波（SPW）將在薄膜層激發(fā)產生。利用來自光纖末端平面的反射光線的不同光強，來獲得分析物相對應的不同折射率。利用鉭五氧化物的薄覆蓋層，對傳感器進行一系列地調整操作，使其能夠檢測水性物質的折射率。通過演示表明，此類傳感器能

2、夠檢測到折射率低于4×10-5的變化。1.介紹近十年來，表面等離子體共振（SPR）傳感技術受到人們的高度關注，此傳感技術已成為生物傳感領域的主導技術，SPR技術被Pharmacia生物傳感器實驗所人員研發(fā)出來，他們主要應用此技術來解決生物多樣性影響評估（BIA）的核心問題和簡化BIA系統(tǒng)。隨后，其他商業(yè)價值的SPR傳感器被Texas學會研發(fā)，然而，當時所有具有商業(yè)價值的SPR傳感器都是依據光反射衰減的方法來實現(xiàn)，光反射之后，光強大量衰減限制著微型SPR傳感技術的發(fā)展。為了克服這一限制，近幾年基于光波導的SPR傳感器有了廣泛的研究，光纖和光波導的不同微型SPR傳感技術被提議出來。在這份

3、報告中，我們要介紹一項新型設計基于光纖的SPR傳感技術，依據此技術發(fā)展高級微型SPR傳感器。在原理分析的基礎上，此傳感器被設計應用于多水的環(huán)境，使其具有最佳的靈敏度。2.傳感器的結構和操作原理此傳感器是基于標準單模光纖設計出來的，它的包層是可以局部移動，這樣可以使容易損耗的波導模態(tài)得以通過并用于激發(fā)表面等離子體波（SPW）的金箔加以覆蓋，如圖1所示。假設光纖中傳播的波導模態(tài)與金箔輸出界面激發(fā)的SPW相位相匹配。由于SPW的傳播十分依賴于鄰近金箔的媒質（分析物）的折射率，因此，分析物折射率的改變將造成兩個波導模態(tài)的不匹配。當SPW有很高的損耗時，在光纖波導模態(tài)的衰減的變化有著多種不匹配的結果。綜

4、上所述，分析物折射率的不同可以被輸出不同的光強并被檢測出來。由于表面等離子體波是固定的偏振TM光波，只有與其相對應的偏振狀態(tài)的光纖模式才可能與之相互作用。同時，由于金屬薄膜的歐姆損耗，正交偏振狀態(tài)的模式被衰減。對于分析物光學性質衰減變化不靈敏的TE偏振模式來說，通常用作參考偏振模式。為了可以通過對傳感器一系列操作來達到期望的折射率范圍，需要使用鉭無氧化物覆蓋薄膜。圖1 傳感器結構3.原理為了對所提議的傳感器結構理論分析，用相同的三層絕緣物的二維波導來代替單模光纖。使用模式擴大和傳播的方法，對通過此結構的光強傳遞進行計算。為了在已完成的理論分析基礎上檢測最佳的靈敏度和分辨率，需要對傳感器在多水環(huán)

5、境下的參數進行選擇。減小金和鉻的非導電常熟，在光源波長為825nm的條件下，鉭五氧化物覆蓋層的折射率被測得為1.905.對于不同厚度的金和鉭五氧化物覆蓋層，在分析物的折射率問題的分析上，TM模式衰減的理論依據通過圖2和圖3表述出來。在圖2中，我們可以觀察到金箔厚度影響著波導模式和SPW的相互作用強度大小，但是在多水檢測的環(huán)境下不允許對傳感器進行操作調整。為了克服這一限制，金箔表面需要附著一層高折射率的絕緣體（圖3）。根據SPR的最大傾斜度，對金箔的最佳厚度進行設定（圖2）。為了使傳感器可以在水性環(huán)境下進行一系列操作，鉭五氧化物覆蓋層的厚度設定為20nm。對于折射率在1.33-1.34范圍內的分

6、析物來說，優(yōu)化后的傳感器平均靈敏度大約為500dB/RIU,要求動態(tài)調整范圍大約為12dB；對于折射率在1.34-1.35范圍內的分析物來說，優(yōu)化后的傳感器平均靈敏度大約為2300dB/RIU，要求動態(tài)調整范圍大約為35dB（圖3）。如果薄的鉭五氧化物覆蓋層發(fā)生變化，傳感器的平均靈敏度的區(qū)域范圍也會隨之變化（圖3所對應的鉭五氧化物覆蓋層厚度為25nm）。圖2 在鉻的附著層厚度為2nm條件下，不同的金膜厚度的分析物的不同折射率與相對輸出功率關系曲線圖3 在鉻和金厚度分別為2和35nm條件下，不同厚度的五氧化二鉭覆蓋物的分析物的折射率與相對輸出功率關系曲線4.實驗一般的單模光纖據喲良好的機械穩(wěn)定性

7、，PCS纖芯通常被用于傳感領域。PCS光纖的硅芯直徑為560um，低熔點的膠體把硅芯膠合在某硅塊的狹槽中，然后在PCS光纖內刻出一半徑為25cm的狹槽，另把一單模光纖剝落大約長2cm的包層，使去包層的纖芯膠合進雕刻的狹槽中。為了使易損耗的光纖模式通過，由PCS光纖和單模光纖構成的光纖模塊進行包裹，拋光靠近單模光纖纖芯的位置。使用液滴法進行檢測拋光程度，然后硅塊加熱到100,，來把硅塊移走。在PCS光纖的末端進行切割后，鍍覆蓋物以及打磨此端面，最后蒸發(fā)干燥打磨面，再用真空蒸餾法使整個結構附著上鉻粘附層（厚度1-2nm），金箔（35nm）和鉭五氧化物覆蓋層（18nm）。圖4展示了傳感原理的實驗樣本

8、，實驗裝配如圖5所示。光源為波長為825nm的半導體激光二極管。為了在光纖中耦合光線，將要用到顯微鏡物鏡（1:20）。一個晶體偏振鏡片插放在物鏡的前方，用來抑制使用光學器件所產生的消偏振光。利用2x2的光纖耦合器來區(qū)分輸入和輸出光。在傳感器相互作用的地方，光纖線圈偏振控制器可以進行調整光纖模式的偏振狀態(tài)。微定位被用來從光纖耦合器到傳感器的光線耦合。為了抑制光的反射，光纖的端面一般浸抹折射率與之匹配的膠體。它能抑制反射噪聲達47dB。采用光電二極管來檢測輸出光強。為了模擬實驗，由水和乙二醇構成的混合物被用于折射率的檢測。由于不同的分析物折射率檢測到不同的輸出光強（圖6）。對于1.328-1.33

9、8范圍內折射率，通過SPR光纖檢測到的平均靈敏度為1200dB/RIU。 圖4 SPR光纖探測器件圖5 實驗系統(tǒng)圖5 在鉻,金牌和五氧化二鉭層的厚度分別為2,35和18nm條件下，分析物不同折射率與相對輸出功率關系曲線5.討論關于SPW共振激發(fā)所測得的折射率組，理論結果和實驗結果相對比較符合。增加傳感器的動態(tài)范圍以及對SPR圖表進行更多的實驗操作點，這樣可以增強傳感器的靈敏度。減少從光纖耦合器的光強損耗，實質上可以增強傳感器的動態(tài)范圍（增強20dB），通過光纖連接器或者光纖拼接進行的光纖連接可以代替耦合器，提高在SPR光纖檢測尖端鋁鏡的折射率，也可以提高傳感器的動態(tài)范圍。在匯報的實驗中，大量的鏡面反射光是相當少的（低于輸入光強大約10dB），造成鏡面反射光的原因可能是光纖頂端不希望有的傾斜，以及頂端表面不好的光質量造成的。6.結論適用于多水環(huán)境的微型SPR單模光纖檢測實驗原型進行著改進發(fā)展，能夠檢測多組折射率數值的性能正在進行著研究。在1.328-1.318的折射率范圍內，先進的的SPR光纖檢測的平均靈敏度為120