反射式光纤表面等离子体波共振传感器特性研究

研究了一种基于表面等离子体波共振(SPR)光谱分析的折射率检测新方法。研究发现,表面等离子体波共振效应光谱特征的折射率灵敏度会随着液体性质变化而发生改变。根据折射率测量范围不同,分别选择共振波长和共振强度作为检测参量,实现理论折射率分辨力达到10~(-5)数量级以上。在理论分析和实验基础上,设计出一种基于共振光强检测的终端反射式光纤表面等离子体波共振效应传感系统,采用将传感信号和基准光信号的比值作为液体折射率变化的度量值。在1．3325～1．3991的折射率测量范围内,度量值与折射率之间呈现单调递减关系,线性相关系数为0．9983。通过定义耦合系数,还可实现对表面等离子体波共振效应效应强弱和变化趋势的评估。     

一种基于相位测量的角漂移自适应结构表面等离子体共振气体折射率测量系统

提出了一种可抑制角漂移的表面等离子体传感器结构,并结合相位测量设计了相应的气体折射率测量系统。分析表明激光入射角、金膜厚度以及反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间的固有非线性是影响相位响应度与折射率测量精度的主要因素。计算表明所提出的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并很大程度提高了测量灵敏度。同时分析设计了金膜厚度参数,并评估了反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间固有非线性带来的误差。应用于空气折射率的测量比对实验显示其测量精度达到了10-6量级。     

基于分光计的表面等离子体共振实验

在分光计的基础上,利用激光二极管作为光源,自制硅光电池放大电路作为检测元件,自行组装了角度指示型表面等离子体共振传感器综合实验装置.使用该装置可以在分光计上观察表面等离子体共振现象,测量电解质折射率与共振角的关系.     

SPR快速角度调制系统

利用表面等离子体共振原理设计了测量待测物体的折射率的方法.通过快速控制反射镜的角度控制入射光的转动,光源照射在反射镜之后,由双透镜直接将光束聚焦至柱棱镜中心,实现入射光的旋转.在接收反射光时,使用光敏面足够大的光电转换器件,可以实现探测器在一次测量中固定不动,使系统得以简化.根据仿真结果可知,在折射率为1～1.33的范围内,共振角与待测物体折射率近似成线性关系,实际测量空气和水的共振角分别为39.8°和58.4°,据此可以近似确定该共振角范围内所有待测物质的折射率.     

基于后焦面成像的液体折射率测量实验

利用磁控溅射方法在玻璃衬底上沉积一层金膜作为光学薄膜基底,在金膜上滴涂不同浓度的待测氯化钠溶液.利用光线与金属和溶液界面的表面等离子体的耦合,通过白光后焦面上暗环的相对位置,结合表面等离子体的相关理论,得到不同浓度溶液的折射率,并且分析了基于后焦面成像测量液体折射率方法的误差来源,提出了提高测量精度的办法.该实验结合了高精度的微纳加工技术以及后焦面成像过程,提出了一种新的液体折射率测量方法,在物质分析以及传感等方面有重要应用.     

高精度表面等离子体共振传感中的信号处理方法

表面等离子体共振传感技术是一种简单可行并广为应用的光学高精度表面检测方法,能够对折射率的变化(10-8)进行检测。若要实现高灵敏度、高稳定性、高可靠性的检测,除了光电系统硬件外,信号的数据处理方法也是关键技术之一。运用合适的数据处理方法可有效地降低实验中的随机噪声以及系统不理想性所带来的影响,可大大提高测量精度、准确性和测量范围。从信号处理方法的角度,根据国内外近年来的研究成果,利用表面等离子体共振实现了在微量检测和薄膜分析时进行数据处理的算法。     

基于入射角扫描方式的大量程绝对折射率传感方法

针对石墨烯基的折射率传感系统中存在的大量程和高测量灵敏度无法兼得且仅能实现相对折射率测量的问题,提出了一种基于全内反射式的大量程绝对折射率测量方法。该方法仅通过一维线性运动,实现了大范围角度的精确调控。利用光学4f系统,保证了采样点位置不随入射角的变化而变化。不同入射角下的扫描测量方法的折射率测量范围理论上可以达到1～1.5168,通过对不同质量分数的氯化钙溶液的折射率进行测量,从实验上获得7.203×10^-4 RIU的测量灵敏度。     

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。     

镀银空芯光纤表面等离子体共振传感器的研究

提出了一种新型的基于镀银空芯光纤结构的表面等离子体共振(SPR)传感器。建立了光学模型对传感器内的光传播进行分析,在理论上推导出了传输光谱公式。制作了不同银膜厚度的空芯光纤SPR传感器,搭建了实验系统对内芯充入不同折射率的液体介质的传感器传输光谱进行了测量,获得了相应的SPR光谱。通过理论计算和实验测量对传感器的灵敏度特性和测量准确性进行了分析讨论。结果表明该传感器是一种灵敏度较高的、能实时检测待测高折射率液体介质的SPR传感器,它在一定范围内能够很好地弥补传统光纤表面等离子体共振传感器的不足,并且开拓了空芯光纤的一个新的应用领域。     

表面等离激元探针的高介电灵敏度与液体折射率测定

利用金纳米棒在光照射下激发表面等离激元的性质,实验研究了其在不同介电环境下的吸收光谱.通过分析纵向等离子体共振吸收峰峰位随介质折射率的变化,获得了金纳米棒表面等离激元探针测量介质折射率的经验公式为n=(385.59)-1(λ/nm-290.56).利用金纳米棒表面等离激元探针的高介电灵敏度,测试了一些未知液体的折射率,并与阿贝折射仪测量法的结果相比较.结果与分析表明,本方法较之阿贝折射仪测量介质折射率的方法具有更高的精密度.因此,表面等离探针可用于拓展大学物理实验中的介质折射率测量实验.     

Measurement of refractive index variation by differential surface plasmon resonance technique

A differential detection technique combined with a surface plasmon resonance technique is proposed for refractive index variation measurement. The experimental results demonstrate that our system can attain a resolution of 1.2 × 10^?5 RIU (refractive index unit). In addition, a method for two-dimensional detection of the refractive index variation is demonstrated. The system is free from the influence of optical source fluctuation, and can improve the measurement sensitivity.     

波长调制型表面等离子体共振的传感特性研究

表面等离子体共振(SPR)光学传感器能实现生物医学的快速、 无标记、 高精度检测,是生物化学分析的重要方法。 研制了基于波长调制型的Kretschmann结构表面等离子体共振(SPR)生物传感系统,研究了在体溶液传感方式下的传感性能。 利用不同浓度的乙醇和乙二醇溶液进行体溶液传感测试。 实验结果表明,在折射率低时共振波长对折射率变化响应的灵敏度低,但响应的线性度高;随着折射率增大,共振波长对折射率的响应变化的灵敏度提高。 在1.407 0～1.430 RIU折射率范围内,灵敏度高达11 487 nm·RIU-1。 传感器的共振波长的稳定性为0.213 8 nm,可分辨最小折射率趋近10-6 RIU。 所研制的波长调制型表面等离子共振传感器操作简单、 灵敏度高、 检测范围大,可实现浓度极低生物标记物的有效检测,在化学、 生物传感领域有重要的应用。     

金纳米颗粒掺杂光致聚合物的体全息混合光栅模型

金纳米颗粒掺杂光致聚合物在全息曝光过程中,光产物周期分布会形成折射率调制相位型主光栅,同时金纳米颗粒周期分布形成由局域表面等离子体共振引起强吸收的振幅型辅助光栅。研究基于耦合波理论的一种混合光栅模型,分析了光栅的体全息光学特性。结果表明,混合光栅中的折射率光栅和吸收光栅都能够提升体光栅的衍射效率; 体光栅的角度选择性也可以得到明显的改善。     

基于Au/ITO纳米复合材料的自参照SPR传感器

利用Au/ITO纳米复合材料设计了一种自参照表面等离子体共振传感器.该传感器产生的光谱有两个共振峰,即共振峰1和共振峰2.共振峰1随着待测介质折射率和入射角的变化产生漂移,而共振峰2仅随入射角的变化产生漂移,两个共振峰相互参照,降低了入射角偏移对测量结果的影响,提高了测量的准确性.在纳米复合材料的4种不同体积分数下,仿真分析了入射角、待测介质折射率和薄膜厚度变化对两个共振波长的影响.在入射角θ为80°,且金的体积分数f为0.65,薄膜厚度d为40nm和45nm,或金的体积分数f为0.85,薄膜厚度d为45nm和50nm时,共振峰2不随待测介质折射率的变化而变化,只有共振峰1随待测介质折射率的变化而变化,达到自参照传感器的理想状态.     

基于平面波导激励的修正长程表面波的传感器研究

为了解决传统的强度检测型波导激励的表面等离子体共振传感器灵敏度不高的缺点,研究平面波导激励的介质膜-金属-被测介质的可激发修正的长程表面等离子体波结构。采用离子交换的方法制备折射率可用费米函数拟合的平面波导,研究了离子交换时间对平面波导的模数及等效折射率等特性的影响,为激励波导的优化设计提供有效依据。采用制备的平面波导激励介质膜-金属-被测介质的非对称结构,研究金属材质、介质膜厚和金属膜厚等因素对修正的长程表面等离子体波特性的影响,对被测溶液的折射率进行检测。实验结果表明,其灵敏度为传统的强度检测型表面等离子体共振传感器的6倍,并且具有较好的线性关系。     

硼酸盐聚合物层数对表面等离子共振谱葡萄糖浓度测量的影响

在表面等离子共振谱(surface plasmon resonance, SPR)葡萄糖浓度测量中,引入一种全新的能够特异性吸附葡萄糖分子的硼酸盐聚合物PAA-ran-PAAPBA,实现了葡萄糖浓度的特异性检测。采用层层自组装的方法分别在SPR传感器表面绑定6层和12层硼酸盐聚合物,研究了聚合物层数对葡萄糖浓度测量效果的影响。分别在浓度范围1~10 mg·dL-1(浓度间隔Δ=1 mg·dL-1)、10~100 mg·dL-1(浓度间隔Δ=10 mg·dL-1)、100~1 000 mg·dL-1(浓度间隔Δ=100 mg·dL-1)内进行实验,实验数据采用二次曲线进行拟合,得到折射率差值ΔRU和葡萄糖浓度之间的拟合度。实验结果显示在前两个较小葡萄糖浓度范围内绑定有12层聚合物传感器的测量效果要明显好于6层聚合物,在第三个较大葡萄糖浓度范围内聚合物层数的影响并不明显,表明在小浓度范围内增加聚合物绑定层数可以改善葡萄糖测量效果。     

Low-cost,high performance surface plasmon resonance-compatible films characterized by the surface plasmon resonance technique

A new analytical method based on the surface plasmon resonance (SPR) technique is presented, with which SPR curves for both wavelength and angular modulations can be obtained simultaneously via only a single scan of the incident angle. Using this method, the SPR responses of TiO2-coated Cu films are characterized in the wavelength range from 600 nm to 900 nm. For the first time, we determine the effective optical constants and the thicknesses of TiO2-coated Cu films using the SPR curves of wavelength modulation. The sensitivities of prism-based SPR refractive index sensors using TiO2-coated Cu films are investigated theoretically for both wavelength and angular modulations, the results show that in the case of sensitivity with wavelength modulation, TiO2-coated Cu films are not as good as the Au film, however, they are more suitable than the Au film for SPR refractive index sensors with angular modulation because a higher sensitivity can be achieved.     

基于SPR光谱分析的液体折射率测量研究

文章从电磁场理论和射线理论的角度,详细讨论了光纤表面等离子体波传感器工作原理,分析了表面等离子体共振(SPR)光谱共振波长与液体介质折射率之间的对应关系。采用相关光谱检测技术,获得八种不同类型分析醇所对应的SPR光谱曲线族,其共振波长随液体折射率的增大而逐渐向长波长方向偏移。通过对乙醇与乙二醇混合液体所对应的共振光谱分析,实现对两者配比浓度的测定。整个传感系统结构简单,测量光路部分实现全光纤化,不仅能够对目标测量介质的实时、快速、精确测量,还可用于特殊测量场合,实现远程遥测功能。     

Design of Highly Sensitive Surface Plasmon Resonance Sensors Using Planar Metallic Films Closely Coupled to Nanogratings

We investigate the sensitivity enhancement of surface plasmon resonance （SPR） sensors using planar metallic films closely coupled to nanogratings. The strong coupling between localized surface plasmon resonances （LSPRs） presenting in metallic nanostructures and surface plasmon polaritons （SPPs） propagating at the metallic film surface leads to changes of resonance reflection properties, resulting in enhanced sensitivity of SPR sensors. The effects of thickness of the metallic films, grating period and metal materials on the refractive index sensitivity of the device are investigated. The refractive index sensitivity of nanograting-based SPR sensors is predicted to be about 543 nm/RIU （refractive index unit） using optimized structure parameters. Our study on SPR sensors using planar metallic films closely coupled to nanogratings demonstrates the potential for significant improvement in refractive index sensitivity.     

Design of a highly sensitive surface plasmon resonance sensor using aluminum-based diffraction grating

A highly-sensitive grating-based surface plasmon resonance (SPR) sensor is proposed. The angular interrogation method has been used to study the performance of the sensor, and high sensitivity is obtained if the ?1st diffraction order is used to excite surface plasmon (SP). The sensitivity as well as the width of the SPR curves and reflective amplitude is considered for designing the sensor. Compared with the conventional gold (Au)-based or silver (Ag)-based SPR sensor, it is found that the aluminum (Al)-based sensor has the best performance. The oxidation problem of an Al-based SPR sensor has been addressed by coating it with an ultrathin gold film on the surface. Numerical simulations based on rigorous coupled wave analysis (RCWA) show that the sensitivity of the optimized sensor is 245°/RIU (degree per refractive index unit).