劉 超，張 坤，孫 祺，牟海維

（東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

引 言

表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）傳感技術(shù)因其對外界介質(zhì)折射率（介電常數(shù)）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變化的相關(guān)參數(shù)等物理量的測量與檢測，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［1－5］。SPR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，入射角或波長在某一值時，表面等離子體波與消逝波兩者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，入射光通過消逝波與表面等離子體波的耦合，能量被金屬表面電子強烈吸收，使反射光能量急劇下降，產(chǎn)生表面等離子體諧振現(xiàn)象。

1968年，Kretschmann和Reather［6］提出了基于衰減全內(nèi)反射棱鏡耦合方式激發(fā)SPR，促進(jìn)了表面等離子體共振傳感技術(shù)的長足發(fā)展。目前，SPR傳感器主要分為Kretschmann型棱鏡角度調(diào)制型和光纖波長調(diào)制型兩類［7，8］。其中，光纖SPR具有探針體積小、結(jié)構(gòu)緊湊以及可實現(xiàn)遠(yuǎn)程感測的優(yōu)勢，能夠克服棱鏡結(jié)構(gòu)型SPR傳感器體積大、需配備機械可動部件和不能進(jìn)行遠(yuǎn)程傳感等缺點［9－14］。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。已有研究表明，SPR傳感特性顯著依賴于金屬薄膜厚度和金屬材質(zhì)［12］。通常，金（Au）膜因其具有良好的抗腐蝕能力而被用作SPR傳感元件，但其傳感靈敏度低于銀（Ag）膜。探索兩種薄膜的結(jié)合方式，以提高光纖SPR傳感器的靈敏度和抗腐蝕能力具有重要的實際意義。為此，文中利用TFCalc國際薄膜設(shè)計軟件對基于Au－Ag復(fù)合膜光纖SPR傳感器的傳感特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，深入闡述薄膜厚度對光纖SPR光譜特性的影響規(guī)律。

1 光纖SPR傳感的基本原理

光纖SPR傳感的基本原理實質(zhì)為基于纖芯－金膜－環(huán)境介質(zhì)三層結(jié)構(gòu)全內(nèi)反射光學(xué)現(xiàn)象，其傳感原理三層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。當(dāng)光束以某一入射角入射到纖芯與金膜的界面發(fā)生全內(nèi)反射時，會有一少部分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。其波矢量界面上的分量為：

圖1 光纖SPR傳感原理三層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic illustrations for the sensing principle of optical fiber sensor based on SPR with three layers

式（1）中，ω為光波的角頻率，c為真空中的光速，εcore為纖芯的介電常數(shù)，θ0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產(chǎn)生一種沿Z方向傳播并且幅度沿Z方向衰減的電磁波，被稱為表面等離子體波（surface plasmon wave），其波矢為

式（2）中，ωm為金膜的介電常數(shù)，εs為待測介質(zhì)的介電常數(shù)。

電磁波發(fā)生共振的條件是兩個波具有相同的頻率和波矢，并且傳播方向一致。當(dāng)kz＝kspw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Z分量相同時，會導(dǎo)致入射光的能量被SPW波大幅度吸收，導(dǎo)致反射光強急劇降低。

2 仿真結(jié)果與討論

假定光纖SPR傳感器的纖芯介電常數(shù)εcore、金屬Ag膜的介電常數(shù)εm、待測介質(zhì)的介電常數(shù)εs分別為2.2942、－16.72＋1.66i和1，白光光源以入射角45°入射到纖芯與Ag膜界面。不同厚度的Ag膜在波長為400～650nm之間光波的激勵下產(chǎn)生光纖SPR現(xiàn)象的仿真光譜圖如圖2所示。從圖中可以清楚地看出，表面等離子體共振吸收峰顯著依賴于Ag膜厚度，當(dāng)Ag膜厚度由40nm逐漸增加到80nm時，共振吸收峰的半峰全寬逐漸減小，吸收峰銳化程度增強，這有助于準(zhǔn)確確定共振波長的位置，對于提高傳感器測試的準(zhǔn)確度是很重要的。

圖3示出了圖2所示不同厚度Ag膜的共振波長與反射率之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)Ag膜厚度由40nm逐漸增大到80nm時，表面等離子體共振吸收峰對應(yīng)的反射率先減小后增大，SPR光譜反射率均低于40%，其中由以60nm厚Ag膜的共振現(xiàn)象最為明顯。由圖3還可看出，隨著Ag膜厚度的增大，各薄膜SPR光譜相應(yīng)的共振波長逐漸減小，但共振波長變化范圍較小，僅為7nm左右。

圖2 不同厚度Ag膜光纖SPR傳感器的仿真光譜圖Fig.2 Simulated spectra of optical fiber SPR sensors based on silver thin films with different thickness

圖3 不同厚度Ag膜的共振波長與反射率關(guān)系曲線Fig.3 Resonance wavelength versus reflectivity curves of the silver thin films with various film thickness

因Au膜抗氧化能力強，考慮將其鍍于Ag膜表面進(jìn)行保護(hù)，以克服Ag膜易被氧化的問題。圖4所示為不同厚度的Au－Ag復(fù)合膜在波長為400～650nm之間光波的激勵下產(chǎn)生SPR現(xiàn)象的仿真光譜圖。從圖中可以看出，不同厚度Au－Ag復(fù)合膜的SPR共振波長隨著Au膜厚度的增大而增大，即發(fā)生紅移現(xiàn)象。從圖中還看看出，Au膜的引入對共振吸收峰反射率的影響不大，各種Au－Ag復(fù)合膜的SPR光譜反射率均低于20%，表明共振現(xiàn)象很明顯。

圖4 不同厚度Au－Ag復(fù)合膜光纖SPR傳感器的仿真光譜圖Fig.4 Simulated spectra of optical fiber SPR sensors based on gold－silver composite thin films with different thickness

3 結(jié) 論

利用TFCalc軟件仿真研究了Ag膜和Au－Ag復(fù)合膜厚度對光纖SPR傳感器反射光譜特性的影響規(guī)律，獲得主要結(jié)論如下：

（1）光纖表面等離子體共振現(xiàn)象吸收峰顯著依賴于Ag膜厚度，當(dāng)Ag膜厚度由40nm逐漸增加到80nm時，共振吸收峰的半峰全寬逐漸減小，吸收峰銳化程度增強；

（2）當(dāng)Ag膜厚度由40nm逐漸增大到80nm時，表面等離子體共振吸收峰對應(yīng)的反射率先減小后增大，其中60nm厚Ag膜的共振現(xiàn)象最明顯；SPR共振波長隨Ag膜厚度的增大而減?。?/p>

（3）不同厚度Au－Ag復(fù)合膜的SPR共振波長隨Au膜厚度的增大而增大，金膜的引入對共振吸收峰反射率的影響不大，各組Au－Ag復(fù)合膜的SPR光譜反射率均低于20%，共振現(xiàn)象明顯。

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