徐 海， 余有龍， 李丹丹， 干蜀毅

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

利用2×2纖錐表面等離子共振傳感液體折射率

徐 海1， 余有龍1， 李丹丹1， 干蜀毅2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

介紹了2×2纖錐等離子共振的工作原理，并用其對液體折射率進(jìn)行傳感。制作的表面等離子共振傳感器用于檢測甘油水溶液的折射率時(shí)，觀測到被測液體折射率在（1.448，1.4515）區(qū)間變化時(shí)，等離子共振波長在（1450，1593）nm區(qū)間移動，兩者間呈線性對應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)的傳感分辨率為2.448×10－5RIU。

表面等離子共振；2×2纖錐；傳感；共振波長；折射率

表面等離子共振（Surface Plasmon resonance，SPR）是一種發(fā)生在金屬層與電介質(zhì)界面，強(qiáng)烈吸收部分波長能量的光學(xué)現(xiàn)象。將等離子共振技術(shù)與光纖低損傳輸有機(jī)結(jié)合，用來對待測量進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)便是光纖表面等離子共振傳感，它首先由Jorgenson等人于1993年報(bào)道［1］。由于SPR效應(yīng)對電介質(zhì)折射率的變化非常敏感，用在生物醫(yī)藥領(lǐng)域可對抗體－抗原反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，開展病毒免疫研究［2］，還可用于研究DNA與蛋白質(zhì)相互作用［3］等場合。

將光纖拉制成纖錐，在其表面鍍金屬薄膜，利用該膜與液體介質(zhì)接觸產(chǎn)生等離子共振，用來對物理量進(jìn)行監(jiān)測，便是纖錐等離子共振傳感。側(cè)拋型光纖SPR傳感器的靈敏度為3100nm／RIU［4］，拉錐工藝有利于增強(qiáng)倏逝場的穿透深度，使靈敏度提高至10000nm／RIU［5］。纖錐等離子共振傳感技術(shù)已用于氫敏傳感［6］和折射率傳感［7］。根據(jù)金屬膜分布的差別，可將纖錐等離子共振傳感分為對稱結(jié)構(gòu)（360°鍍膜）傳感和不對稱結(jié)構(gòu)（一側(cè)鍍膜）傳感［8］；而根據(jù)纖錐傳輸模數(shù)的差別，還可將其分為單模纖錐SPR傳感［8］和多模纖錐SPR［9］傳感，其中前者克服了模間干擾，靈敏度高，但測量范圍較小。

選取兩根單模光纖，各將中間一段2至3cm的涂敷層除去，清潔處理后，對其打結(jié)、加熱、拉錐，拉至預(yù)定長度時(shí)停止拉錐，便獲得2×2纖錐。本文利用2×2纖錐作載體，鍍膜后形成等離子共振，用于液體折射率傳感。該傳感器集傳感、分光于一身，有利于實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)測量。為介質(zhì)折射率、溫度等物理量的測量提供了新途徑。

1 工作原理

在纖錐的耦合區(qū)域，由于纖芯對光波束縛能力減弱，入射光進(jìn)入包層成為輻射模，并在包層與金屬層的界面形成消逝波，消逝波進(jìn)入金屬層激發(fā)自由電子，此時(shí)金屬層與介質(zhì)的界面處產(chǎn)生表面等離子波。當(dāng)包層中的輻射模與表面等離子波的傳播常數(shù)相匹配時(shí)產(chǎn)生SPR，對特定波長附近的入射光波呈強(qiáng)烈的吸收，其它波長的光波由于失配，吸收并不明顯。將能量損耗最大的波長定義為共振波長，改變外部介質(zhì)的折射率，共振波長也將隨之改變。

對于單纖錐SPR傳感器，光通過傳感區(qū)后透射系數(shù)為［10，11］：

其中，F(xiàn)為菲涅爾系數(shù)，S標(biāo)識為S偏振光，P標(biāo)識為P偏振光，F(xiàn)s為S光的菲涅爾系數(shù)，F(xiàn)P為P光的菲涅爾系數(shù)，n為外部介質(zhì)的折射率，θ0為光波在光纖包層與金屬界面一側(cè)的入射角，N為反射次數(shù)，ρ為錐腰區(qū)光纖直徑，z0為古斯－漢臣位移，L為錐腰區(qū)鍍膜長度。

圖1所示為具有分光功能的2×2纖錐，錐區(qū)外側(cè)鍍有金屬膜層。若功率為P0的光波由光纖1左端輸入，傳至鍍有金屬膜層的錐區(qū)時(shí)，耦合使得部分光波穿過包層進(jìn)入光纖2，并沿光纖2向右傳輸。記光纖1和光纖2輸出端的功率分別為P1和P2。由于纖錐分光，在光纖1輸出端觀測到的共振現(xiàn)象是由部分入射光所激發(fā)，其通過鍍膜區(qū)域后透射系數(shù)仍可按公式（1）計(jì)算。

圖1 2×2纖錐結(jié)構(gòu)示意圖

其中，L1為雙錐間頸部長度也是2×2纖錐等離子傳感器鍍膜長度。

以空氣作為參考樣品，T與參考信號的比值就為共振時(shí)的透射譜。入射光波長為1550nm時(shí)，包層折射率為1.4629，銀的折射率為0.469＋9.32i，甘油水溶液折射率為1.448～1.4515，傳感長度6mm，膜厚30nm。按公式（1）擬合共振仿真圖，如圖2所示。從圖2可以看出，透射光譜只有一個(gè)波谷，共振波長隨折射率增加向長波方向移動。

圖2 仿真透射譜

2 實(shí)驗(yàn)

選取兩根單模光纖，各將中間一段2至3cm的涂敷層除去，清潔處理后，打結(jié)平行放置于666.5℃的溫度場中，利用步長為0.002mm的微動平臺，對其拉錐，當(dāng)錐腰尺寸拉至30μm時(shí)，停止拉錐。在獲得的2×2纖錐耦合區(qū)蒸鍍一層30nm～40nm的銀膜，便制成2×2纖錐SPR傳感器。

在室溫20℃條件下，測試表明，2×2纖錐耦合器的附加損耗為0.45dB。

搭建圖3所示的裝置，用來檢測SPR效應(yīng)的透射譜。所用寬帶光源為LED，波長范圍1426nm～1626nm。LED發(fā)出的光經(jīng)起偏器成為線偏振光，進(jìn)入上述拉制的2×2纖錐，其輸出端接入光纖光譜儀。纖錐樣品置于長、寬 、高分別為10cm、10cm、2cm的塑料材質(zhì)的樣品池中。池中溶液折射率變化時(shí)，用光譜儀觀察纖錐輸出光譜的變化。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

將甘油置于圖3所示的樣品池中，向池中注入去離子水，通過改變甘油水溶液的濃度，來調(diào)整折射率的值。借助阿貝折光儀對折射率的實(shí)際值進(jìn)行標(biāo)定，折射率為1.448～1.4515。測出共振波長，擬合折射率與共振波長的關(guān)系曲線。

3 結(jié)果與討論

由圖4可知，透射光譜只有一個(gè)波谷，與圖2的理論預(yù)期相符。預(yù)期的共振波長隨折射率增加的變化趨勢，與實(shí)際變化相一致，隨折射率增加向長波方向移動。預(yù)期的共振波長與實(shí)測結(jié)果基本一致。由此證明仿真結(jié)果是可靠的。實(shí)驗(yàn)中由于銀膜氧化，實(shí)測透射譜與理論透射譜的共振深度相差較大。

圖4表明，2×2纖錐等離子傳感器的共振波長隨折射率的增加而變化，不同的共振波長對應(yīng)不同的折射率，二者之間一一對應(yīng)。折射率有微小變化，共振波長就會有明顯移動，說明傳感系統(tǒng)具有較高的靈敏度。

以共振波長為自變量，折射率為應(yīng)變量，依所得數(shù)據(jù)擬合折射率共振波長

的實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線，見圖5。二者關(guān)系曲線的多項(xiàng)式為：

y＝0.0000229x＋1.415

圖5反映出在誤差許可范圍內(nèi)，共振波長與折射率間呈線性變化關(guān)系。通過檢測等離子共振波長可確定待測介質(zhì)的折射率。

圖4 透射譜

圖5 折射率與共振波長之間的關(guān)系

圖4和圖5表明，傳感系統(tǒng)可在1426nm至1626nm波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對液體折射率的檢測。檢測時(shí)光譜儀分辨率為1nm，系統(tǒng)的傳感分辨率為2.448×10－5RIU。

2×2纖錐等離子傳感器與單纖錐等離子傳感器的區(qū)別在于，2×2纖錐等離子傳感器可同時(shí)輸出兩路傳感信號。可與其它光纖等離子傳感器連接，實(shí)現(xiàn)測量點(diǎn)不在一條直線上的多點(diǎn)分布式傳感。

4 結(jié)論

用單模光纖拉制了2×2纖錐，鍍銀膜后成為等離子共振傳感器，在1426nm～1626nm波長范圍內(nèi)用來對甘油水溶液的折射率進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)中折射率的檢測區(qū)間為1.448～1.4515，結(jié)果表明，在所測折射率范圍內(nèi)，共振波長與折射率呈線性變化關(guān)系。系統(tǒng)的傳感分辨率為2.448×10－5RIU。該檢測技術(shù)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測能力，其傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等，在水質(zhì)監(jiān)測、環(huán)保領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。由于銀抗氧化性差，在銀膜外鍍一層10nm左右的氟化鎂，將有利于延長傳感器的使用壽命，增加檢測結(jié)果的重復(fù)性。

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Liquid Refractive-Index Measured by a2×2 Tapered Coupler Surface Plasma Sensor

Xu Hai，Yu Youlong，Li Dandan，Gan Shuyi

The working principle of surface Plasmon resonance（SPR）of a 2×2tapered coupler is introduced.It was used to act as a liquid refractive－index sensor.The fabricated sensor is used to measure the refractive－index of Glycerol water within the range from 1.448to 1.4515.The resonant wavelength of SPR is observed to shift from 1450nm to 1593nm.Linear relationship is shown between the wavelength and the index value.The system achieves a resolution of 2.448×10－5RIU.

surface Plasmon resonance；2×2tapered coupler；sensing；resonant wavelength；refractiveindex

TP212.1

A

1673-1794（2012）05-0034-03

徐 海（1980－），男，碩士研究生，研究方向：新型傳感器；指導(dǎo)老師：余有龍，男，教授，博士生導(dǎo)師，e-mail：youlongyu＠163.com。

2012-08-27