基于光纤的微型表面等离子体共振传感器

1、毕业设计说明书英文文献及中文翻译信息与通信工程学院10051041学生姓名： 学号： 光电信息工程学 院： 专 业： 指导教师： 2014 年 6 月(纪念已逝的大学生活)基于光纤的微型表面等离子体共振传感器 摘要：一项创新性设计表面等离子体共振（SPR）传感器被公布。此传感器基于高级微型光纤传感原理制作完成，且有很高的灵敏度。在边缘抛光的单模光纤上附着一层金属薄膜，表面等离子体波（SPW）将在薄膜层激发产生。利用来自光纤末端平面的反射光线的不同光强，来获得分析物相对应的不同折射率。利用钽五氧化物的薄覆盖层，对传感器进行一系列地调整操作，使其能够检测水性物质的折射率。通过演示表明，此类传感器能

2、够检测到折射率低于4×10-5的变化。1.介绍近十年来，表面等离子体共振（SPR）传感技术受到人们的高度关注，此传感技术已成为生物传感领域的主导技术，SPR技术被Pharmacia生物传感器实验所人员研发出来，他们主要应用此技术来解决生物多样性影响评估（BIA）的核心问题和简化BIA系统。随后，其他商业价值的SPR传感器被Texas学会研发，然而，当时所有具有商业价值的SPR传感器都是依据光反射衰减的方法来实现，光反射之后，光强大量衰减限制着微型SPR传感技术的发展。为了克服这一限制，近几年基于光波导的SPR传感器有了广泛的研究，光纤和光波导的不同微型SPR传感技术被提议出来。在这份

3、报告中，我们要介绍一项新型设计基于光纤的SPR传感技术，依据此技术发展高级微型SPR传感器。在原理分析的基础上，此传感器被设计应用于多水的环境，使其具有最佳的灵敏度。2.传感器的结构和操作原理此传感器是基于标准单模光纤设计出来的，它的包层是可以局部移动，这样可以使容易损耗的波导模态得以通过并用于激发表面等离子体波（SPW）的金箔加以覆盖，如图1所示。假设光纤中传播的波导模态与金箔输出界面激发的SPW相位相匹配。由于SPW的传播十分依赖于邻近金箔的媒质（分析物）的折射率，因此，分析物折射率的改变将造成两个波导模态的不匹配。当SPW有很高的损耗时，在光纤波导模态的衰减的变化有着多种不匹配的结果。综

4、上所述，分析物折射率的不同可以被输出不同的光强并被检测出来。由于表面等离子体波是固定的偏振TM光波，只有与其相对应的偏振状态的光纤模式才可能与之相互作用。同时，由于金属薄膜的欧姆损耗，正交偏振状态的模式被衰减。对于分析物光学性质衰减变化不灵敏的TE偏振模式来说，通常用作参考偏振模式。为了可以通过对传感器一系列操作来达到期望的折射率范围，需要使用钽无氧化物覆盖薄膜。图1 传感器结构3.原理为了对所提议的传感器结构理论分析，用相同的三层绝缘物的二维波导来代替单模光纤。使用模式扩大和传播的方法，对通过此结构的光强传递进行计算。为了在已完成的理论分析基础上检测最佳的灵敏度和分辨率，需要对传感器在多水环

5、境下的参数进行选择。减小金和铬的非导电常熟，在光源波长为825nm的条件下，钽五氧化物覆盖层的折射率被测得为1.905.对于不同厚度的金和钽五氧化物覆盖层，在分析物的折射率问题的分析上，TM模式衰减的理论依据通过图2和图3表述出来。在图2中，我们可以观察到金箔厚度影响着波导模式和SPW的相互作用强度大小，但是在多水检测的环境下不允许对传感器进行操作调整。为了克服这一限制，金箔表面需要附着一层高折射率的绝缘体（图3）。根据SPR的最大倾斜度，对金箔的最佳厚度进行设定（图2）。为了使传感器可以在水性环境下进行一系列操作，钽五氧化物覆盖层的厚度设定为20nm。对于折射率在1.33-1.34范围内的分

6、析物来说，优化后的传感器平均灵敏度大约为500dB/RIU,要求动态调整范围大约为12dB；对于折射率在1.34-1.35范围内的分析物来说，优化后的传感器平均灵敏度大约为2300dB/RIU，要求动态调整范围大约为35dB（图3）。如果薄的钽五氧化物覆盖层发生变化，传感器的平均灵敏度的区域范围也会随之变化（图3所对应的钽五氧化物覆盖层厚度为25nm）。图2 在铬的附着层厚度为2nm条件下，不同的金膜厚度的分析物的不同折射率与相对输出功率关系曲线图3 在铬和金厚度分别为2和35nm条件下，不同厚度的五氧化二钽覆盖物的分析物的折射率与相对输出功率关系曲线4.实验一般的单模光纤据哟良好的机械稳定性

7、，PCS纤芯通常被用于传感领域。PCS光纤的硅芯直径为560um，低熔点的胶体把硅芯胶合在某硅块的狭槽中，然后在PCS光纤内刻出一半径为25cm的狭槽，另把一单模光纤剥落大约长2cm的包层，使去包层的纤芯胶合进雕刻的狭槽中。为了使易损耗的光纤模式通过，由PCS光纤和单模光纤构成的光纤模块进行包裹，抛光靠近单模光纤纤芯的位置。使用液滴法进行检测抛光程度，然后硅块加热到100,，来把硅块移走。在PCS光纤的末端进行切割后，镀覆盖物以及打磨此端面，最后蒸发干燥打磨面，再用真空蒸馏法使整个结构附着上铬粘附层（厚度1-2nm），金箔（35nm）和钽五氧化物覆盖层（18nm）。图4展示了传感原理的实验样本

8、，实验装配如图5所示。光源为波长为825nm的半导体激光二极管。为了在光纤中耦合光线，将要用到显微镜物镜（1:20）。一个晶体偏振镜片插放在物镜的前方，用来抑制使用光学器件所产生的消偏振光。利用2x2的光纤耦合器来区分输入和输出光。在传感器相互作用的地方，光纤线圈偏振控制器可以进行调整光纤模式的偏振状态。微定位被用来从光纤耦合器到传感器的光线耦合。为了抑制光的反射，光纤的端面一般浸抹折射率与之匹配的胶体。它能抑制反射噪声达47dB。采用光电二极管来检测输出光强。为了模拟实验，由水和乙二醇构成的混合物被用于折射率的检测。由于不同的分析物折射率检测到不同的输出光强（图6）。对于1.328-1.33

9、8范围内折射率，通过SPR光纤检测到的平均灵敏度为1200dB/RIU。 图4 SPR光纤探测器件图5 实验系统图5 在铬,金牌和五氧化二钽层的厚度分别为2,35和18nm条件下，分析物不同折射率与相对输出功率关系曲线5.讨论关于SPW共振激发所测得的折射率组，理论结果和实验结果相对比较符合。增加传感器的动态范围以及对SPR图表进行更多的实验操作点，这样可以增强传感器的灵敏度。减少从光纤耦合器的光强损耗，实质上可以增强传感器的动态范围（增强20dB），通过光纤连接器或者光纤拼接进行的光纤连接可以代替耦合器，提高在SPR光纤检测尖端铝镜的折射率，也可以提高传感器的动态范围。在汇报的实验中，大量的镜面反射光是相当少的（低于输入光强大约10dB），造成镜面反射光的原因可能是光纤顶端不希望有的倾斜，以及顶端表面不好的光质量造成的。6.结论适用于多水环境的微型SPR单模光纤检测实验原型进行着改进发展，能够检测多组折射率数值的性能正在进行着研究。在1.328-1.318的折射率范围内，先进的的SPR光纤检测的平均灵敏度为120