基于光纖的微型表面等離子體共振傳感器

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)英文文獻(xiàn)及中文翻譯信息與通信工程學(xué)院10051041學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 光電信息工程學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2014 年 6 月(紀(jì)念已逝的大學(xué)生活)基于光纖的微型表面等離子體共振傳感器 摘要：一項(xiàng)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)表面等離子體共振（SPR）傳感器被公布。此傳感器基于高級(jí)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(chǎn)生。利用來(lái)自光纖末端平面的反射光線的不同光強(qiáng)，來(lái)獲得分析物相對(duì)應(yīng)的不同折射率。利用鉭五氧化物的薄覆蓋層，對(duì)傳感器進(jìn)行一系列地調(diào)整操作，使其能夠檢測(cè)水性物質(zhì)的折射率。通過(guò)演示表明，此類傳感器能

2、夠檢測(cè)到折射率低于4×10-5的變化。1.介紹近十年來(lái)，表面等離子體共振（SPR）傳感技術(shù)受到人們的高度關(guān)注，此傳感技術(shù)已成為生物傳感領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，SPR技術(shù)被Pharmacia生物傳感器實(shí)驗(yàn)所人員研發(fā)出來(lái)，他們主要應(yīng)用此技術(shù)來(lái)解決生物多樣性影響評(píng)估（BIA）的核心問(wèn)題和簡(jiǎn)化BIA系統(tǒng)。隨后，其他商業(yè)價(jià)值的SPR傳感器被Texas學(xué)會(huì)研發(fā)，然而，當(dāng)時(shí)所有具有商業(yè)價(jià)值的SPR傳感器都是依據(jù)光反射衰減的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，光反射之后，光強(qiáng)大量衰減限制著微型SPR傳感技術(shù)的發(fā)展。為了克服這一限制，近幾年基于光波導(dǎo)的SPR傳感器有了廣泛的研究，光纖和光波導(dǎo)的不同微型SPR傳感技術(shù)被提議出來(lái)。在這份

3、報(bào)告中，我們要介紹一項(xiàng)新型設(shè)計(jì)基于光纖的SPR傳感技術(shù)，依據(jù)此技術(shù)發(fā)展高級(jí)微型SPR傳感器。在原理分析的基礎(chǔ)上，此傳感器被設(shè)計(jì)應(yīng)用于多水的環(huán)境，使其具有最佳的靈敏度。2.傳感器的結(jié)構(gòu)和操作原理此傳感器是基于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖設(shè)計(jì)出來(lái)的，它的包層是可以局部移動(dòng)，這樣可以使容易損耗的波導(dǎo)模態(tài)得以通過(guò)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(shè)光纖中傳播的波導(dǎo)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(zhì)（分析物）的折射率，因此，分析物折射率的改變將造成兩個(gè)波導(dǎo)模態(tài)的不匹配。當(dāng)SPW有很高的損耗時(shí)，在光纖波導(dǎo)模態(tài)的衰減的變化有著多種不匹配的結(jié)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(qiáng)并被檢測(cè)出來(lái)。由于表面等離子體波是固定的偏振TM光波，只有與其相對(duì)應(yīng)的偏振狀態(tài)的光纖模式才可能與之相互作用。同時(shí)，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(duì)于分析物光學(xué)性質(zhì)衰減變化不靈敏的TE偏振模式來(lái)說(shuō)，通常用作參考偏振模式。為了可以通過(guò)對(duì)傳感器一系列操作來(lái)達(dá)到期望的折射率范圍，需要使用鉭無(wú)氧化物覆蓋薄膜。圖1 傳感器結(jié)構(gòu)3.原理為了對(duì)所提議的傳感器結(jié)構(gòu)理論分析，用相同的三層絕緣物的二維波導(dǎo)來(lái)代替單模光纖。使用模式擴(kuò)大和傳播的方法，對(duì)通過(guò)此結(jié)構(gòu)的光強(qiáng)傳遞進(jìn)行計(jì)算。為了在已完成的理論分析基礎(chǔ)上檢測(cè)最佳的靈敏度和分辨率，需要對(duì)傳感器在多水環(huán)

5、境下的參數(shù)進(jìn)行選擇。減小金和鉻的非導(dǎo)電常熟，在光源波長(zhǎng)為825nm的條件下，鉭五氧化物覆蓋層的折射率被測(cè)得為1.905.對(duì)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(wèn)題的分析上，TM模式衰減的理論依據(jù)通過(guò)圖2和圖3表述出來(lái)。在圖2中，我們可以觀察到金箔厚度影響著波導(dǎo)模式和SPW的相互作用強(qiáng)度大小，但是在多水檢測(cè)的環(huán)境下不允許對(duì)傳感器進(jìn)行操作調(diào)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(jù)SPR的最大傾斜度，對(duì)金箔的最佳厚度進(jìn)行設(shè)定（圖2）。為了使傳感器可以在水性環(huán)境下進(jìn)行一系列操作，鉭五氧化物覆蓋層的厚度設(shè)定為20nm。對(duì)于折射率在1.33-1.34范圍內(nèi)的分

6、析物來(lái)說(shuō)，優(yōu)化后的傳感器平均靈敏度大約為500dB/RIU,要求動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍大約為12dB；對(duì)于折射率在1.34-1.35范圍內(nèi)的分析物來(lái)說(shuō)，優(yōu)化后的傳感器平均靈敏度大約為2300dB/RIU，要求動(dòng)態(tài)調(diào)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(huì)隨之變化（圖3所對(duì)應(yīng)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(duì)輸出功率關(guān)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(duì)輸出功率關(guān)系曲線4.實(shí)驗(yàn)一般的單模光纖據(jù)喲良好的機(jī)械穩(wěn)定性

7、，PCS纖芯通常被用于傳感領(lǐng)域。PCS光纖的硅芯直徑為560um，低熔點(diǎn)的膠體把硅芯膠合在某硅塊的狹槽中，然后在PCS光纖內(nèi)刻出一半徑為25cm的狹槽，另把一單模光纖剝落大約長(zhǎng)2cm的包層，使去包層的纖芯膠合進(jìn)雕刻的狹槽中。為了使易損耗的光纖模式通過(guò)，由PCS光纖和單模光纖構(gòu)成的光纖模塊進(jìn)行包裹，拋光靠近單模光纖纖芯的位置。使用液滴法進(jìn)行檢測(cè)拋光程度，然后硅塊加熱到100,，來(lái)把硅塊移走。在PCS光纖的末端進(jìn)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(gè)結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)樣本

8、，實(shí)驗(yàn)裝配如圖5所示。光源為波長(zhǎng)為825nm的半導(dǎo)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(gè)晶體偏振鏡片插放在物鏡的前方，用來(lái)抑制使用光學(xué)器件所產(chǎn)生的消偏振光。利用2x2的光纖耦合器來(lái)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(jìn)行調(diào)整光纖模式的偏振狀態(tài)。微定位被用來(lái)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(dá)47dB。采用光電二極管來(lái)檢測(cè)輸出光強(qiáng)。為了模擬實(shí)驗(yàn)，由水和乙二醇構(gòu)成的混合物被用于折射率的檢測(cè)。由于不同的分析物折射率檢測(cè)到不同的輸出光強(qiáng)（圖6）。對(duì)于1.328-1.33

9、8范圍內(nèi)折射率，通過(guò)SPR光纖檢測(cè)到的平均靈敏度為1200dB/RIU。 圖4 SPR光纖探測(cè)器件圖5 實(shí)驗(yàn)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(duì)輸出功率關(guān)系曲線5.討論關(guān)于SPW共振激發(fā)所測(cè)得的折射率組，理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比較符合。增加傳感器的動(dòng)態(tài)范圍以及對(duì)SPR圖表進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)操作點(diǎn)，這樣可以增強(qiáng)傳感器的靈敏度。減少?gòu)墓饫w耦合器的光強(qiáng)損耗，實(shí)質(zhì)上可以增強(qiáng)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍（增強(qiáng)20dB），通過(guò)光纖連接器或者光纖拼接進(jìn)行的光纖連接可以代替耦合器，提高在SPR光纖檢測(cè)尖端鋁鏡的折射率，也可以提高傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。在匯報(bào)的實(shí)驗(yàn)中，大量的鏡面反射光是相當(dāng)少的（低于輸入光強(qiáng)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(zhì)量造成的。6.結(jié)論適用于多水環(huán)境的微型SPR單模光纖檢測(cè)實(shí)驗(yàn)原型進(jìn)行著改進(jìn)發(fā)展，能夠檢測(cè)多組折射率數(shù)值的性能正在進(jìn)行著研究。在1.328-1.318的折射率范圍內(nèi)，先進(jìn)的的SPR光纖檢測(cè)的平均靈敏度為120