内置调制层型光纤表面等离子体波共振传感器研究

研究了一种基于内置调制层结构的光纤表面等离子体波共振(SPR)传感器。通过在金膜与纤芯的内侧增覆具有不同厚度和属性的光学透明薄膜作为内调制层,构成了性能独特的光电复合薄膜,起到调节倏逝波矢量和金膜表面等离子体振荡波矢量的双重作用,进而控制共振效应,为调节灵敏度提供依据。采用时域有限差分方法对内置调制层结构光纤SPR共振激励模型属性进行数值仿真。在此基础上,研制了用于液体折射率测量的内置调制层型光纤SPR传感探针。实验结果表明,该传感器在1.335～1.392折射率范围内,随着待测液体折射率的增大,SPR共振光谱向长波方向偏移,且灵敏度达到2263.1nm/RIU,与基于纤芯-金膜-环境介质三层结构的常规光纤SPR传感器相比提高一倍,能够更好地满足环境折射率检测的需求。     

基于U型结构的单模光纤SPR折射率传感器

设计了一种基于U型结构的单模光纤表面等离子体共振折射率传感器,采用在移除部分包层并弯曲成U型固定后的单模光纤表面镀金纳米层和TiO2调制层的方式,实现表面等离子体共振的激发.利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics,研究了不同弯曲半径和TiO2调制层厚度对传感性能的影响.通过对四种弯曲半径(R=0.3cm,0.5cm,0.8cm,1cm)的分析,结果表明随着弯曲半径增大,表面等离子体共振信号强度增大且峰值波长有微小的蓝移.在弯曲半径为0.5cm的条件下,研究了TiO2调制层厚度从0变化到40nm对传感器性能的影响,结果表明随着TiO2调制层厚度增大,表面等离子体共振峰峰值波长红移且对外界折射率变化的灵敏度显著增大.在弯曲半径为0.5cm,TiO2调制层厚度为40nm的条件下,传感器在低折射率区(nd=1.333)灵敏度达到了5 959nm/RIU,高折射率区(nd=1.383)灵敏度达到了11 092nm/RIU.与没有调制层的结果相比,灵敏度提高了一倍左右.     

侧边抛磨光纤的光谱调制型表面等离子体共振传感研究

表面等离子体共振传感是基于光学消逝波与金属表面等离子体波共振的一种高灵敏度、快速、无标记的测量方式。光纤的表面等离子体共振传感具有在线测量、体积小、抗电磁干扰等优点。为提高折射率传感灵敏度,采用轮式侧边抛磨法抛磨掉多模光纤的全部包层和部分纤芯,并采用溅射法在光纤抛磨区先镀高折射率的铬层然后镀金膜,制作了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感器。研究结果表明:该传感器可实现液体折射率在1.333~1.431RIU范围的测试,平均光谱灵敏度为4.11×103 nm·RIU-1,在1.417~1.431RIU折射率范围内光谱灵敏度达1.09×104 nm·RIU-1,折射率测量范围和光谱灵敏度均优于已报道的结果。此外,该传感器具有良好的稳定性与重复性实验测试,最小分辨率约为3.6×10-5 RIU。该传感器光谱灵敏度高、检测范围大、尺寸小及良好的稳定性与重复性等优点,可被用于食品检测、环境监测、生物医学检测等相关领域。     

镀银空芯光纤表面等离子体共振传感器的研究

提出了一种新型的基于镀银空芯光纤结构的表面等离子体共振(SPR)传感器。建立了光学模型对传感器内的光传播进行分析,在理论上推导出了传输光谱公式。制作了不同银膜厚度的空芯光纤SPR传感器,搭建了实验系统对内芯充入不同折射率的液体介质的传感器传输光谱进行了测量,获得了相应的SPR光谱。通过理论计算和实验测量对传感器的灵敏度特性和测量准确性进行了分析讨论。结果表明该传感器是一种灵敏度较高的、能实时检测待测高折射率液体介质的SPR传感器,它在一定范围内能够很好地弥补传统光纤表面等离子体共振传感器的不足,并且开拓了空芯光纤的一个新的应用领域。     

基于局域表面等离子体共振效应的聚合物波导传感器特性研究

以SU-8光刻胶作为波导芯层材料,设计了基于金纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)波导传感器。根据Mie理论,建立了金纳米粒子的消光模型,理论分析了纳米粒子半径、待测物折射率等因素对局域表面等离子体共振曲线的影响。分析表明:当待测液体折射率增大时,LSPR共振峰的位置发生红移。随着金纳米粒子半径的逐渐增大,传感器灵敏度增加。共振吸收峰逐渐由单峰变为双峰,其中一个峰位于520 nm波长附近,主要由表面等离子体吸收造成;另一个峰随金纳米粒子半径的增大而逐渐红移,主要由表面等离子体散射造成。     

基于氧化铟锡的十重偏芯D型光子准晶光纤的高灵敏度表面等离子体共振传感器

设计并分析了一种高灵敏度表面等离子体共振(SPR)传感器,该传感器由偏芯D型结构的十重光子准晶光纤(PQF)组成,并局部涂覆氧化铟锡(ITO).偏芯D型结构可以使液体分析更加方便,增强了纤芯模与SPP模之间的耦合,提高了传感灵敏度.采用有限元法对传感器的特性进行研究.结果表明,传感器的波长灵敏度随折射率(RIs)的增大...     

基于U型弯曲光纤模间干涉的折射率传感

研究了去包层U型弯曲光纤的折射率传感特性.首先根据模间干涉理论,分析了U型光纤传感器的传感原理,指出干涉谱损耗峰波长与环境折射率和弯曲半径有关.利用单模光纤(SM-28)实验制作不同曲率半径的U型光纤传感器,把传感器的U型部分浸入不同折射率的液体中,研究其折射率传感特性.当U型光纤曲率半径为2.5~5.0mm时,传输光谱中均能观察到明显的模间干涉现象;当液体折射率从1.30RIU变到1.43RIU时,光谱损耗峰波长发生红移,且弯曲半径越大,折射率传感灵敏度越高;在曲率半径为5mm时灵敏度为207nm/RIU(折射率1.30~1.40RIU)和1 220nm/RIU(折射率1.40~1.42RIU).干涉峰的波形参量(半高宽、对比度)决定于包层模和纤芯导模之间的比例,当曲率半径为4mm时,损耗峰半高宽最小达3.2nm.综合半高宽和灵敏度两个参量,得出曲率半径4.5mm的U型光纤传感器品质因素最高,分别为43.1RIU-1(折射率1.30~1.40RIU)和191.2RIU-1(折射率1.40~1.42RIU),可直接由SM-28单模光纤制成,且制作工艺简单、成本低、机械强度高不需要任何特殊处理,具有很好的应用前景.     

开放式多通道多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器

基于多芯少模光纤结构特性,提出了一种具有开放式感知通道的多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器.建立了多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器的模型,利用有限元方法分析了纤芯气孔间距、膜层厚度、膜层材料以及不同传输模式对传感器性能的影响,并讨论了传感器多通道感知性能.仿真分析发现,纤芯气孔间距决定了倏逝波的耦合强度,材料特性和模式共同影响了表面等离子体共振峰的位置和灵敏度.经过计算可知:当单个凹槽传感通道上沉积100 nm铟锡氧化物薄膜,分析物折射率范围为1.33—1.39时, LP11ax模式对应的平均光谱灵敏度为12048 nm/RIU(其中RIU为折射率单位,即refractive index unit),最高灵敏度为20824.66 nm/RIU,最大折射率分辨率可达4.8×10~(–6) RIU;当光纤外围凹槽镀上不同厚度的金膜、银膜和铟锡氧化物膜时,既可以单独探测生物物质,也可以联合检测同一生物物质,实现了传感通道的控制灵活性和测试物质的多样性.     

基于金属-介质-金属多层膜结构的空芯光纤折射率传感器

提出了一种新型的基于金属-介质-金属的多层膜结构的空芯光纤折射率传感器,通过建立光学模型计算了该传感器的传输光谱。对介质膜材料分别为二氧化硅、环烯烃聚合物和碘化银时的传感器性能进行了分析。当空芯光纤内部检测液体折射率处于不同范围时,所设计的传感器分别利用导模共振、表面等离子体共振以及波导耦合表面等离子体共振的原理进行传感。相比于传统的空芯光纤传感器,所提的传感器不仅检测范围超大(1.3~1.64,几乎覆盖了全部液体介质的折射率)而且品质因数提高了一倍。     

基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-10–80 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.34–1.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.     

Cross-point analysis for a multimode fiber sensor based on surface plasmon resonance

A novel analysis based on surface plasmon resonance (SPR) with a side-polished multimode fiber and a white-light (halogen light) source is presented. The sensing system is a multimode optical fiber in which half of the core has been polished away and a 40 nm gold layer is deposited on to the polished surface by dc sputter. The SPR dip in the optical spectrum is investigated with an optical spectrum analyzer (OSA). In our SPR fiber sensor, the use of liquids with different refractive indices leads to a shift in the spectral dip in the SPR curve. The cross point (CP) of the two SPR spectra obtained from the refractive-index liquid and the deionized water measurements was observed with the OSA. The CP is shifted sensitively in wavelength from 630 to 1300 nm relative to a change in the refractive index of the liquid from 1.34 to 1.46. High sensitivities of 1.9 x 10(-6) refractive-index units (RIUs) in the range of the refractive index of the liquid from 1.40 to 1.44 of 5.7 x 10(-7) RIUs above the value of 1.44 are proposed and demonstrated in our novel SPR analysis.     

螺旋形塑料光纤表面等离子体共振折射率传感器

研究了基于波长调制的螺旋形塑料光纤(plastic optical fiber, POF)表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)折射率传感器。采用机械热压和扭曲法将塑料光纤制备成螺旋形,在螺旋形POF上通过磁控溅射蒸镀一定厚度(约50 nm)的金属薄膜来激励SPR效应,从而形成螺旋形POF-SPR传感器。通过对螺旋形POF-SPR传感器的结构进行修饰,研究不同结构参数对折射率传感特性的影响。实验结果表明:由厚度为500μm扁平形POF扭制、螺纹数为4的螺旋形POF-SPR传感器具有较好的线性度和折射率传感特性,在折射率为1.335～1.400范围内测得的灵敏度为1 262 nm/RIU。该传感器具有成本较低、制备简单、结构稳定等优点。     

反射式光纤表面等离子体波共振传感器特性研究

研究了一种基于表面等离子体波共振(SPR)光谱分析的折射率检测新方法。研究发现,表面等离子体波共振效应光谱特征的折射率灵敏度会随着液体性质变化而发生改变。根据折射率测量范围不同,分别选择共振波长和共振强度作为检测参量,实现理论折射率分辨力达到10~(-5)数量级以上。在理论分析和实验基础上,设计出一种基于共振光强检测的终端反射式光纤表面等离子体波共振效应传感系统,采用将传感信号和基准光信号的比值作为液体折射率变化的度量值。在1．3325～1．3991的折射率测量范围内,度量值与折射率之间呈现单调递减关系,线性相关系数为0．9983。通过定义耦合系数,还可实现对表面等离子体波共振效应效应强弱和变化趋势的评估。     

Tapered fiber optic surface plasmon resonance sensor for analyses of vapor and liquid phases

We report a new approach to analyze both vapor and liquid phases by utilizing a tapered fiber optic surface plasmon resonance (SPR) probe. This technique employs a fiber optic SPR probe with a modified geometry to tune the SPR coupling wavelength-angle pair. The observed composite spectrum included two distinct SPR dips associated with surface plasmons excited in the gas and liquid active regions. This sensor is able to detect refractive index changes in both vapor and liquid phases individually by simultaneous monitoring SPR coupling wavelengths from the two sensing surfaces.     

基于SPR光谱分析的液体折射率测量研究

文章从电磁场理论和射线理论的角度,详细讨论了光纤表面等离子体波传感器工作原理,分析了表面等离子体共振(SPR)光谱共振波长与液体介质折射率之间的对应关系。采用相关光谱检测技术,获得八种不同类型分析醇所对应的SPR光谱曲线族,其共振波长随液体折射率的增大而逐渐向长波长方向偏移。通过对乙醇与乙二醇混合液体所对应的共振光谱分析,实现对两者配比浓度的测定。整个传感系统结构简单,测量光路部分实现全光纤化,不仅能够对目标测量介质的实时、快速、精确测量,还可用于特殊测量场合,实现远程遥测功能。     

Ultrahigh sensitivity polarimetric strain sensor based upon D-shaped optical fiber and surface plasmon resonance technology

An ultrahigh sensitivity polarimetric strain sensor is proposed based upon a four-layer D-shaped optical fiber and surface plasmon resonance (SPR) technology. In contrast to existing SPR-based sensors, which are based on changes in the refractive index of the overlayer, the sensor proposed in this study is based on the change in the refractive index of the fiber core in response to the application of an axial load. Specifically, the phase difference between the P and S waves after passing through the sensor under SPR conditions is measured using a common-path heterodyne interferometer and is used to determine the corresponding change in the refractive index of the core, from which the strain is then inversely derived. The experimental results show that the sensitivity of the proposed sensor is around 2.19×10? deg/ε, i.e., degree/strain. By contrast, that of a conventional (non-SPR) polarimetric fiber sensor is just 5.2×102 deg/ε. To the best of the authors' knowledge, the sensor proposed in this study represents the first reported attempt to exploit the refractive index change of the core of an SPR-based fiber sensor for strain measurement purposes.     

Refractive index sensor based on high-order surface plasmon resonance in gold nanofilm coated photonic crystal fiber

We propose a novel kind of wide-range refractive index optical sensor based on photonic crystal fiber(PCF) covered with nano-ring gold film.The refractive index sensing performance of the PCF sensor is analyzed and simulated by the finite element method(FEM).The refractive index liquid is infiltrated into the cladding air hole of the PCF.By comparing the sensing performance of two kinds of photonic crystal fiber structures, a wide range and high sensitivity structure is optimized.The surface plasmon resonance(SPR) excitation material is chose as gold, and large gold nanorings are embedded around the first cladding air hole of the PCF.The higher order surface plasmon modes are generated in this designed optical fiber structure.The resonance coupling between the fundamental mode and the 5 th order surface plasmon polariton(SPP)modes is excited when the phase matching condition is matched.Therefore, the 3 rd loss peaks appear obvious red-shift with the increase of the analyte refractive index, which shows a remarkable polynomial fitting law.The fitnesses of two structures are 0.99 and 0.98, respectively.When the range of refractive indices is from 1.40 to 1.43, the two kinds of sensors have high linear sensitivities of 1604 nm/RIU and 3978 nm/RIU, respectively.     

基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器

介绍了一种基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器. 将两根纤芯经过腐蚀的普通单模光纤熔接在一起, 在熔接点处形成一个气泡, 在距气泡20 mm处级联一段20 mm的细芯光纤, 再接入一段单模光纤, 形成单模光纤-气泡-单模光纤-细芯光纤-单模光纤结构的传感器. 气泡与光纤芯径失配处的两个节点起到光纤耦合器的作用, 从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪. 环境液体折射率的变化,将使得传感器透射谱能量发生变化, 通过测量干涉谱波峰峰值能量从而实现对折射率的测量. 并对所制作传感器的折射率响应特性进行了实验研究, 实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境液体折射率之间存在良好的线性关系, 当环境液体折射率变化范围在1.351–1.402时, 响应灵敏度为143.537 dB/RIU, 线性度0.996. 该传感器在生物化学领域有较好的应用前景. 关键词： 光纤气泡 纤芯失配 Mach-Zehnder干涉仪 折射率传感