光纖表面等離子體共振傳感器理論研究（課堂PPT）

1、CompanyLOGO光纖表面等離子體共振傳感器理論研究光纖表面等離子體共振傳感器理論研究信息科學(xué)與工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院目錄目錄參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)結(jié)論結(jié)論仿真結(jié)果與討論仿真結(jié)果與討論光纖光纖SPR傳感的基本原理傳感的基本原理表面等離子體共振（表面等離子體共振（SPR）傳感技術(shù)簡(jiǎn)介）傳感技術(shù)簡(jiǎn)介SPR傳感技術(shù)簡(jiǎn)介傳感技術(shù)簡(jiǎn)介v 表面等離子體共振（表面等離子體共振（surface plasmon resonance, SPR)傳感技術(shù)因其傳感技術(shù)因其對(duì)外界介質(zhì)折射率的微小變化極其敏感而廣泛應(yīng)用于物質(zhì)濃度、含量、對(duì)外界介質(zhì)折射率的微小變化極其敏感而廣泛應(yīng)用于物質(zhì)濃度、含量、溫度以及能夠引起折射率

2、變化的相關(guān)參數(shù)等物理量的測(cè)量與檢測(cè)，在生溫度以及能夠引起折射率變化的相關(guān)參數(shù)等物理量的測(cè)量與檢測(cè)，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境污染、食品安全以及石油化工等方面應(yīng)用前景廣闊。物醫(yī)學(xué)、環(huán)境污染、食品安全以及石油化工等方面應(yīng)用前景廣闊。SPR是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，一般系指是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，一般系指P偏振光在玻璃與金屬薄膜界面處發(fā)生全偏振光在玻璃與金屬薄膜界面處發(fā)生全內(nèi)反射，消逝波在金屬薄膜與介質(zhì)界面處引起金屬表面電子有規(guī)律的振內(nèi)反射，消逝波在金屬薄膜與介質(zhì)界面處引起金屬表面電子有規(guī)律的振蕩，激發(fā)起表面等離子體波，入射角或波長(zhǎng)在某一值時(shí)，表面等離子體蕩，激發(fā)起表面等離子體波，入射角或波長(zhǎng)在某一值時(shí)，表面等離子體波

3、與消逝波兩波的波矢在金屬薄膜與介質(zhì)界面方向的分量相等，達(dá)到波波與消逝波兩波的波矢在金屬薄膜與介質(zhì)界面方向的分量相等，達(dá)到波矢匹配，兩者發(fā)生諧振，入射光通過(guò)消逝波與表面等離子體波的耦合，矢匹配，兩者發(fā)生諧振，入射光通過(guò)消逝波與表面等離子體波的耦合，能量被金屬表面電子強(qiáng)烈吸收，使反射光能量急劇下降，產(chǎn)生表面等離能量被金屬表面電子強(qiáng)烈吸收，使反射光能量急劇下降，產(chǎn)生表面等離子體諧振現(xiàn)象。子體諧振現(xiàn)象。v 1968年，年，Kretschmann和和Reather提出了基于衰減全內(nèi)反射棱鏡耦合方提出了基于衰減全內(nèi)反射棱鏡耦合方式激發(fā)式激發(fā)SPR，促進(jìn)了表面等離子體共振傳感技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展。，促進(jìn)了表面等離

4、子體共振傳感技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展。2004年，年， Axela Biosensor公司推出了基于公司推出了基于Kretschmann棱鏡結(jié)構(gòu)型棱鏡結(jié)構(gòu)型SPR光譜儀，光譜儀，可用于生物分子相互作用的同時(shí)測(cè)量。目前，可用于生物分子相互作用的同時(shí)測(cè)量。目前，SPR傳感器主要分為傳感器主要分為 Kretschmann型棱鏡角度調(diào)制型和光線波長(zhǎng)調(diào)制型兩類。其中，光纖型棱鏡角度調(diào)制型和光線波長(zhǎng)調(diào)制型兩類。其中，光纖SPR具有探針體積小、結(jié)構(gòu)緊湊以及可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程感測(cè)的優(yōu)勢(shì)，能夠克服具有探針體積小、結(jié)構(gòu)緊湊以及可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程感測(cè)的優(yōu)勢(shì)，能夠克服棱鏡結(jié)構(gòu)型棱鏡結(jié)構(gòu)型SPR傳感器體積大、需配備機(jī)械可動(dòng)部件和不能遠(yuǎn)程傳感等傳

5、感器體積大、需配備機(jī)械可動(dòng)部件和不能遠(yuǎn)程傳感等缺點(diǎn)。因此，基于表面等離子體共振的光纖傳感器引起了人們的廣泛關(guān)缺點(diǎn)。因此，基于表面等離子體共振的光纖傳感器引起了人們的廣泛關(guān)注。注。光纖光纖SPR傳感的基本原理傳感的基本原理v光纖光纖SPR傳感的基本原理實(shí)質(zhì)仍為基于傳感的基本原理實(shí)質(zhì)仍為基于纖芯纖芯-金膜金膜-環(huán)境介質(zhì)三層結(jié)構(gòu)全內(nèi)反射環(huán)境介質(zhì)三層結(jié)構(gòu)全內(nèi)反射光學(xué)現(xiàn)象。入射角使其發(fā)生全內(nèi)反射，光學(xué)現(xiàn)象。入射角使其發(fā)生全內(nèi)反射，在纖芯與金膜的界面上，會(huì)有一少部分在纖芯與金膜的界面上，會(huì)有一少部分光透入到金膜一定深度并呈指數(shù)衰減，光透入到金膜一定深度并呈指數(shù)衰減，這部分光波被稱作倏逝波。其波矢量界這部分

6、光波被稱作倏逝波。其波矢量界面上的分量為面上的分量為 其中，其中， 為光波的角頻率，為光波的角頻率，c為真空中的為真空中的光速，光速， 為纖芯的介電常數(shù)，為纖芯的介電常數(shù)， 為入射角。在薄膜與環(huán)境介質(zhì)的界面上，為入射角。在薄膜與環(huán)境介質(zhì)的界面上，局限于金屬表面上的等離子振蕩會(huì)產(chǎn)生局限于金屬表面上的等離子振蕩會(huì)產(chǎn)生一種沿一種沿Z方向傳播并且幅度沿方向傳播并且幅度沿Z方向衰方向衰減的電磁波，被稱為表面等離子體波，減的電磁波，被稱為表面等離子體波，其波矢為其波矢為 其中，其中， 為金膜的介電常數(shù)，為金膜的介電常數(shù)， 為待測(cè)為待測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)。介質(zhì)的介電常數(shù)。0sinzcorekccore0Rems

7、spwmskc ms圖1 光纖SPR傳感原理三層結(jié)構(gòu)示意圖光纖光纖SPR傳感的基本原理傳感的基本原理v電磁波發(fā)生共振的條件是兩個(gè)波具有相同的頻率和波矢，并且傳播方向一致。當(dāng)電磁波發(fā)生共振的條件是兩個(gè)波具有相同的頻率和波矢，并且傳播方向一致。當(dāng) = 即當(dāng)入射光波矢沿即當(dāng)入射光波矢沿Z軸的分量與表面等離子體波波矢的軸的分量與表面等離子體波波矢的Z分量相同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致入射光的分量相同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致入射光的能量被能量被SPW波大幅度吸收，導(dǎo)致反射光強(qiáng)急劇降低。對(duì)于纖芯波大幅度吸收，導(dǎo)致反射光強(qiáng)急劇降低。對(duì)于纖芯-金膜金膜-環(huán)境介質(zhì)三層結(jié)環(huán)境介質(zhì)三層結(jié)構(gòu)，反射光的強(qiáng)度可由構(gòu)，反射光的強(qiáng)度可由Snell公式來(lái)確

8、定，即反射系數(shù)公式來(lái)確定，即反射系數(shù)r可表示為可表示為 其中：其中：exp(2)1exp(2)core mm szmcore m m szmrrik drrrik d22222202()2()2()2()sinszmmzsm sszmmzsmzcorecorezmcore mmzcorecorezmzcorecorezzmmzzsszzcorekkrkkkkrkkkkkkkkk式中 、 、 分別為纖芯、金屬薄膜、環(huán)境介質(zhì)的介電常數(shù)，d為金屬薄膜的厚度， （i,j分別代表core、m、s）表示相鄰兩層膜界面上的反射系數(shù)，其中core、m、s分別代表纖芯、金屬薄膜、環(huán)境介質(zhì)。當(dāng)纖芯-金膜-環(huán)境介質(zhì)

9、三層介質(zhì)的介電常數(shù)和金膜厚度已知時(shí)，反射系數(shù)r為波長(zhǎng)和入射角的函數(shù)，若入射角 為定值，則反射系數(shù)r僅為波長(zhǎng)的函數(shù)。仿真結(jié)果與討論仿真結(jié)果與討論v 假定光纖假定光纖SPR傳感探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表傳感探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1。根據(jù)光纖。根據(jù)光纖SPR傳感器反射系傳感器反射系數(shù)式，利用數(shù)式，利用Matlab對(duì)其進(jìn)行理論仿真模擬。圖對(duì)其進(jìn)行理論仿真模擬。圖2示出了不同厚度金膜在波示出了不同厚度金膜在波長(zhǎng)為長(zhǎng)為2001000nm范圍內(nèi)光波激勵(lì)下產(chǎn)生范圍內(nèi)光波激勵(lì)下產(chǎn)生SPR現(xiàn)象的仿真光譜圖。從圖現(xiàn)象的仿真光譜圖。從圖中可以清晰地看出，當(dāng)金膜厚度由中可以清晰地看出，當(dāng)金膜厚度由45nm逐漸增加到逐漸增加到7

10、0nm時(shí)，發(fā)生波長(zhǎng)時(shí)，發(fā)生波長(zhǎng)調(diào)制型表面等離子體共振現(xiàn)象時(shí)，其共振波長(zhǎng)逐漸向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，即調(diào)制型表面等離子體共振現(xiàn)象時(shí)，其共振波長(zhǎng)逐漸向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，即發(fā)生了紅移現(xiàn)象。發(fā)生了紅移現(xiàn)象。表1 光纖SPR傳感探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖2 不同厚度金膜在波長(zhǎng)為2001000nm范圍內(nèi)的仿真反射光譜仿真結(jié)果與討論仿真結(jié)果與討論v 圖圖3為金膜表面吸附不同介電為金膜表面吸附不同介電常數(shù)的介質(zhì)，光波波長(zhǎng)在常數(shù)的介質(zhì)，光波波長(zhǎng)在2001000nm之間變化時(shí)產(chǎn)之間變化時(shí)產(chǎn)生生SPR現(xiàn)象的仿真光譜圖。現(xiàn)象的仿真光譜圖。從圖中可以清楚地看出，當(dāng)從圖中可以清楚地看出，當(dāng)介質(zhì)介電常數(shù)由介質(zhì)介電常數(shù)由1以很小的變以很小的變化量

11、逐漸增大到化量逐漸增大到1.003時(shí)，光時(shí)，光纖表面等離子體共振現(xiàn)象對(duì)纖表面等離子體共振現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)逐漸向短波長(zhǎng)應(yīng)的共振波長(zhǎng)逐漸向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，即發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象。方向移動(dòng)，即發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象。上述仿真結(jié)果表明，介電常上述仿真結(jié)果表明，介電常數(shù)的微小變化能夠引起表面數(shù)的微小變化能夠引起表面等離子體共振現(xiàn)象共振波長(zhǎng)等離子體共振現(xiàn)象共振波長(zhǎng)的較大幅度移動(dòng)，表明表面的較大幅度移動(dòng)，表明表面等離子體共振對(duì)介質(zhì)介電常等離子體共振對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的變化非常敏感。數(shù)的變化非常敏感。圖3 金膜表面吸附不同介電常數(shù)介質(zhì)、光波波長(zhǎng)由2001000nm之間變化時(shí)產(chǎn)生SPR現(xiàn)象的仿真光譜圖仿真結(jié)果與討論仿真結(jié)果與討論v

12、 圖圖4示出了波長(zhǎng)范圍在示出了波長(zhǎng)范圍在2001000nm的光波以不同的光波以不同入射角入射到纖芯與金膜表入射角入射到纖芯與金膜表面處產(chǎn)生表面等離子體共振面處產(chǎn)生表面等離子體共振現(xiàn)象的仿真光譜圖。從圖中現(xiàn)象的仿真光譜圖。從圖中可以清楚地看出，當(dāng)入射角可以清楚地看出，當(dāng)入射角以以0.5度的步長(zhǎng)由度的步長(zhǎng)由43度逐漸增度逐漸增加到加到44.5度發(fā)生度發(fā)生SPR現(xiàn)象時(shí)，現(xiàn)象時(shí)，共振波長(zhǎng)逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向共振波長(zhǎng)逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，即發(fā)生紅移現(xiàn)象。從移動(dòng)，即發(fā)生紅移現(xiàn)象。從圖圖4可以看出，隨著入射角的可以看出，隨著入射角的增大，共振吸收峰半峰寬逐增大，共振吸收峰半峰寬逐漸增大，反射率最小值逐漸漸增大，

13、反射率最小值逐漸變小，表明光纖變小，表明光纖SPR對(duì)入射對(duì)入射角非常敏感，隨入射角的增角非常敏感，隨入射角的增大，傳感靈敏度降低。大，傳感靈敏度降低。圖4 波長(zhǎng)范圍在2001000nm的光波以不同入射角入射到纖芯與金膜界面處產(chǎn)生SPR現(xiàn)象的仿真光譜圖結(jié)論結(jié)論1當(dāng)金膜厚度由45nm逐漸增加到70nm時(shí)，發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象的共振波長(zhǎng)逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，發(fā)生紅移現(xiàn)象2當(dāng)金膜表面吸附不同介電常數(shù)的介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)介電常數(shù)由1.005以很小的變化量逐漸增大到1.009時(shí)，發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象的共振波長(zhǎng)逐漸向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象3入射角對(duì)光纖SPR傳感器的反射光譜有著顯著影響，隨著入射角的增大，共振波長(zhǎng)逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，且半峰寬度逐漸增大。共振峰處的反射率最小值逐漸變小，傳感靈敏度降低SPR傳感技術(shù)簡(jiǎn)介傳感技術(shù)簡(jiǎn)介v 1牟海維，段玉波，張坤，劉超牟海維，段玉波，張坤，劉超. 光纖表面等離子體共振傳感器理論仿光纖表面等離子體共振傳感器理論仿真研究真研究J.光學(xué)儀器，光學(xué)儀器，2011,33（6）：）：1-4.v 2劉超，張坤，孫祺，牟海維劉超，張坤，孫祺，牟海維. 基于基于Au-Ag復(fù)合膜的光纖表面等離子體共復(fù)合膜的光纖表面等離子體共振傳感器理論仿真研究振傳感器理論仿真研究J.光學(xué)儀器，光學(xué)儀器，2012,