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。     

基于侧边抛磨光纤表面等离子体共振的折射率和温度传感研究

用轮式侧边抛磨法制作侧边抛磨光纤,通过磁控溅射法溅射金膜制成侧边抛磨光纤表面等离子体共振(SPR)传感器,并通过理论和实验对传感器的折射率灵敏度以及温度特性做了深入研究。结果表明表面等离子体共振波长随待测样品折射率的增大向长波长方向漂移,平均折射率灵敏度为4.1×103 nm/RIU(RIU为单位折射率),高于已报道的结果;共振波长随待测样品温度的升高向短波长方向漂移,平均温度灵敏度为0.36nm/℃,故该光纤SPR传感器具有更强抗温度漂移能力和更高的高折射率灵敏度,其在生物化学传感领域有重要的应用。     

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.     

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.     

基于双芯光子晶体光纤的中红外表面等离子体共振低折射率传感器

为了在中红外区域实现气凝胶、七氟醚(麻醉剂重要成分)等物质的折射率检测,拓展折射率检测范围,提出了一种基于双芯光子晶体光纤的表面等离子体共振低折射率传感器.光子晶体光纤由两种大小不同的空气孔围绕中心气孔构成,通过对光纤抛磨,最外侧大空气孔直接与待测物质接触,实现基于金属外涂覆的折射率实时测量.采用全矢量有限元法对该传感器的理论模型进行分析,结果表明,在1.12～1.37折射率范围内,传感器的共振波长位于中红外区域2 505～3 181nm,最高灵敏度为12 000nm/RIU,分辨率为8.33×10-6.该传感器利用中红外波段实现了低折射率检测,并且获得了超宽的检测范围和较高的灵敏度,在化工检测、生物医学传感以及水环境监测等领域具有广泛的应用前景.     

基于表面等离子体共振的新型超宽带微结构光纤传感器研究

基于表面等离子体共振的微结构光纤传感器具有高灵敏、免标记和实时监控等优点.如今,由于此类传感器广泛应用于食品安全控制、环境检测、生物分子分析物检测等诸多领域而受到大量研究.然而,目前所报道的绝大多数此类传感器只能应用于可见光或近中红外传感.因此,对可应用于中红外传感的表面等离子体共振微结构光纤传感器的研究是一项极具挑战性的工作.基于此,本文设计了一种可以工作在近红外和中红外区域的新型高灵敏表面等离子体共振微结构光纤传感器.传感器采用双芯单样品通道结构,该结构不仅可以消除相邻样品通道间的相互干扰和提高传感器的信噪比,还可以在超宽带波长范围内实现高灵敏检测.采用全矢量有限元法对其传感特性进行了系统的研究,研究结果表明:当待测样品折射率分布在1.423—1.513范围内时,传感器不仅可以在1.548—2.796μm的超宽带波长范围内进行工作,而且其平均灵敏度高达13964 nm/RIU.此外,传感器的最高波长灵敏度和折射率分辨率分别为17900 nm/RIU,5.59×10^–7 RIU.     

基于表面等离子体共振和定向耦合的光子晶体光纤传感器

设计了一种具有较大动态检测范围的新型光子晶体光纤折射率传感器。光子晶体光纤中一个空气孔镀上金纳米薄膜作为表面等离子体共振传感通道用来检测低于石英基底材料的液体折射率,一个空气孔填充待测液体作为定向耦合器通道用于检测高于石英基底材料的折射率。该传感器可以实现折射率为1.32~1.52范围内的检测,且具有较高的传感灵敏度。在各向异性的完美匹配层(PML)下利用全矢量有限元法(FEM)对该传感器特性进行了数值研究,结果表明:在1.32~1.44和1.46~1.52的折射率范围该折射率传感器灵敏度最高分别可达13500 nm/RIU和28700 nm/RIU,RIU为折射率单位。     

光纤耦合三角形金柱阵列的等离子体共振

为了满足表面等离子体传感器高灵敏度、高线性以及较大测量范围的需求,提出侧边抛磨光纤耦合的三角形纳米金柱阵列等离子体共振传感模型.用有限元法仿真得出侧边抛磨光纤倏逝场激发出三角形纳米金柱的三种等离子体共振模式,分别为传输等离子体、三角形纳米金柱的本征等离子体和柱间等离子体,在传感器透射谱中呈现三个共振波谷.本征等离子体和柱间等离子体均属于局域等离子体,所对应的共振波谷对外界环境折射率的灵敏度较低但具有很高的线性度.传输等离子体对应的波谷随折射率变化灵敏度很高且呈非线性关系,优化后三角形金柱阵列设计中,当折射率为1.38~1.42RIU时,灵敏度高达12 882nm/RIU.该传感结构集成了侧边抛磨光纤的强倏逝场,具有传输等离子体的高灵敏度、局域等离子体的高线性度和大测量动态范围等优点,有重要的研究意义和实用价值.     

基于全相位滤波技术的光纤表面等离子体共振传感解调算法

基于生物样品检测对折射率传感的迫切需求,构建一种全光纤表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)系统,并针对其设计了基于全相位滤波技术的SPR特征波长传感解调算法.基于系统仿真,理论计算了光纤SPR传感器的折射率传感灵敏度.采用全相位滤波技术提取光纤SPR传感器透射光谱的特征波长,理论推导了全相位滤波器的解析表达式.实验结果表明,使用本算法的光纤SPR传感器折射率传感灵敏度为1640.4 nm/RIU,折射率检测的分辨率是7.36×10~(-4)RIU,与传统方法相比,有效提高了系统的检测精度和抗光源扰动性能,降低了实验成本.     

纤芯失配熔接的高灵敏度光纤折射率传感器

提出并实验验证了一种基于马赫泽德干涉仪(MZI)的高灵敏度光纤折射率(RI)传感器。传感头由一段单模光纤(SMF)夹熔在两段较短的细芯光纤(TCF)中组成TCF SMF-TCF结构,其总长度为9 mm。由于光纤纤芯失配导致的纤芯模和包层模发生干涉,干涉谱对传感头外部折射率的响应极其敏感。使用该传感器检测具有不同折射率的甘油水溶液,实验结果显示:传感器干涉谱的共振波长随环境折射率的增大向长波方向漂移,其折射率灵敏度在1.33 RIU～1.38 RIU范围内约为159 nm/RIU。该传感器具有结构简单、易于制造、成本较低、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,在生物化学与环境监测等领域具有较大的应用潜力。     

基于氧化石墨烯涂层的侧抛光纤马赫-曾德尔干涉仪温湿度传感器

对基于微锥的侧抛光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构进行了理论和实验研究。与传统没有经过侧边抛磨的光纤MZI相比,可以看出控制光纤侧抛深度可以有效地提高MZI结构的折射率传感性能。研究结果表明:侧抛深度达41.7μm时,折射率在1.34附近的传感灵敏度达-117.145 nm/RIU。利用侧抛光纤MZI结构结合亲水性材料氧化石墨烯(GO),通过将其沉积在侧抛光纤MZI表面,实现了对温度和湿度双参量的同时测量。温度和相对湿度(RH)的传感灵敏度分别达131.77 pm/℃和-76.1 pm/%RH。所提侧抛光纤MZI传感器结构具有灵敏度高、低成本和制备简单等优点,在生物化学传感领域具有广泛的应用前景。     

侧边抛磨的U型金溅射塑料光纤等离子体共振传感器

为了测量溶液折射率变化，对塑料光纤纤芯表面的纤芯-金层-液体的3层膜结构进行研究，制作了一种使用U型结构并结合侧边抛磨方法的表面等离子体共振传感器。将截取的一段塑料光纤弯曲成为U型，并在烘箱中通过较高温度使这段光纤的曲率固定，对弯曲部分的外表面进行抛光，暴露该位置塑料光纤芯层并在其上溅射金纳米薄膜层，将制备好的传感器浸入不同折射率的液体中，使用光谱分析仪观察光谱的移动。实验结果表明:当塑料光纤SPR传感器测量折射率变化范围在1.333~1.406的液体时，可以通过光谱观察到随着液体折射率的增大，等离子体共振吸收峰位置也不断地向波长增大的方向移动，并且二者之间存在线性关系，其灵敏度为7.5×10-4 RIU/nm。该传感器探头具有灵敏度高、小型化、易制备、低成本的特点。     

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.     

基于纤芯失配型马赫曾德尔光纤折射率和温度同时测量传感器的研究

设计和制作了一种基于单模多模细芯单模光纤马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪结构,可同时测量折射率和温度的传感器。该传感器中,多模光纤和细芯单模熔接点充当光耦合器。导入光纤中传输的光经多模光纤后在细芯光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模,不同模式光在细芯光纤中传输时将产生光程差,再经细芯单模熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模而干涉。传感器透射光谱随着环境折射率和温度的变化发生漂移,通过监测不同级次的干涉谷可实现折射率和温度的同时测量。通过对传感器的透射光谱进行傅里叶变换分析可知该透射光谱主要由LP01模和LP16模干涉形成。该传感器透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-55.90nm/RIU和0.0501nm/℃(其中RIU为折射率单位);1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-56.26nm/RIU和0.0505nm/℃。在折射率和温度的变化范围分别为1.3449~1.3972和20℃~90℃的环境中对传感器的响应特性进行实验研究,结果表明:透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-53.03nm/RIU和0.0465nm/℃;1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-54.24nm/RIU和0.0542nm/℃。理论分析与实验结果相一致。该传感器在生物医学领域有较好的应用前景。     

基于多模光纤偏芯熔接实现温度和折射率同时测量的光纤传感器

利用偏芯熔接的方法,研制出一种可实现温度和折射率同时测量的光纤传感器。该传感器将一段多模光纤MMF2的左端与一芯径与长度均相同的多模光纤MMF1偏芯熔接,右端与一大芯径多模光纤MMF3对芯熔接构成传感头,利用多模光纤纤芯模和包层模对温度、折射率的敏感性差异,结合敏感矩阵实现了双参量同时测量。实验选取了位于1536.98nm和1545.24nm处的干涉谷进行了温度和折射率的测量,测得1536.98nm处的干涉谷对温度的灵敏度为0.105nm/℃,对折射率不敏感;1545.24nm处的干涉谷对温度的灵敏度为0.052nm/℃,对折射率的敏感性为32.2nm/RIU(RIU表示单位折射率)。该传感器也可应用于其他参量的测量,具有良好的应用前景。     

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.     

契形结构光纤表面等离子体共振传感器研究

提出了一种契形端面结构的光纤表面等离子体共振(SPR)传感器激励模型. 采用时域有限差分法对契形SPR波导的共振模型进行数值模拟, 通过在光纤出射端抛磨契形角度并进行敏感膜修饰, 制出具有契形端面结构的类Kretschmann微棱镜式光纤SPR传感器, 实现激发SPR的光波调制.结果表明, 在1.3330–1.4215折射率范围内, 制备的契形光纤SPR传感器相对于常规光纤SPR传感器, 其平均灵敏度提高了近1–6倍, 1倍和6倍分别出现在小角度结构(15° 契形) 传感器和大角度结构(60°契形) 传感器, 且仍保持 10^-5 等级的分辨率. 该类型结构的传感器具有契形端面激励模式, 设计灵活性高、制备工艺简单、可微量检测样本等优点, 能够很好地适应于不同环境和测量条件的实际生化检测、环境监测需求. 关键词： 光纤传感器 表面等离子体共振 契形端面结构 折射率灵敏度     

侧边抛磨单模光纤表面等离子体传感器的设计和优化

光纤表面等离子体共振传感器具有体积小、抗电磁干扰,可以实现在线实时远距离检测的优点。为提高传感器的性能,建立了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感的物理模型,分别研究了侧边抛磨光纤的剩余厚度、银膜层的厚度对传感器的灵敏度、共振峰的深度和半高全宽等的影响。结果表明：光纤剩余厚度越小,表面等离子体共振现象越强;随银膜层的厚度增大,共振峰的宽度变宽,而传感器的灵敏度呈现非单调变化。通过综合表面等离子体共振传感器的折射率传感灵敏度和共振峰半高全宽,提出了质量因数作为传感器的优化指标,并最终得到最优化的设计方案为光纤剩余厚度为66.5 μm,银膜的厚度为50 nm,此时质量因数达到98.67。     

具有大范围高分辨率线性响应特性的超短无芯光纤溶液折射率传感器

通过理论与实验对比, 证明模式传输分析(MPA)方法求解单模-多模-单模(SMS)结构的可行性. 以MPA理论为基础, 提出了SMS结构折射率传感装置线性响应点的寻找方法. 利用该方法为实验制作的无芯光纤SMS折射率传感器设计了大范围高分辨率线性响应位置, 并在实验中获得证实. 实验采用短至4.4 mm的直径104 μ无芯光纤, 在折射率1.326–1.417范围上获得了19.10 dB的功率线性变化, 以商用光功率计0.01 dB分辨率计, 折合折射率分辨率4.76×10^-5, 实现了理论指导下的大范围高分辨率线性响应. 关键词： 全光纤折射率传感器 多模干涉仪 SMS 无芯光纤     

TiO2纳米粒子增强的光纤损失模式共振折射率传感器

以多模光纤为基底来实现损失模式共振(LMR)折射率传感的灵敏度较低，在利用铟锡氧化物(ITO;In₂O₃和SnO₂的质量分数分别为90%和10%)激发光纤LMR传感的基础上，在ITO薄膜上静电组装二氧化钛(TiO₂)纳米粒子，实现折射率灵敏度的提升。使用Kretschman结构模型对传感器进行理论分析，仿真分析了LMR共振阶数与ITO薄膜厚度的关系，以及ITO作为LMR膜层实现折射率传感的可行性。通过在光纤侧壁磁控溅射ITO薄膜以产生LMR效应，制备ITO-LMR折射率传感器。通过折射率传感实验对ITO-LMR和TiO₂-ITO-LMR两种传感器进行性能测试，在1.3333～1.3840的折射率变化范围内，TiO₂-ITO-LMR传感器灵敏度可达1651.659 nm/RIU，相较于ITO-LMR折射率传感器，其灵敏度提升了3.058倍。