基于双电介质层的棱镜表面等离子共振传感的研究

为了提高表面等离子共振系统的分辨率,提出了一种五层结构的表面等离子共振效应的激励模型:棱镜基底-银膜-电介质层1-电介质层2-待测介质.采用薄膜光学和波导理论,讨论了银和双电介质层复合而成的共振薄膜对表面等离子共振效应的激励机理与调制特性的作用.借助有限元分析方法,数值模拟得到双电介质表面等离子共振激励模型的共振光谱.分析结果表明,当待测介质折射率相同时,双电介质表面等离子共振激励模型共振光谱的半峰宽约为传统棱镜表面等离子体共振的0.1倍,理论计算得到双电介质表面等离子共振激励模型的系统分辨率相较于传统棱镜表面提高了5.4倍.以乙二醇溶液为待测样本,分析得到传感器的灵敏度约为7.2°/RIU,品质因数约为465,证明了该结构设计的可行性,为设计高分辨率和高品质因数的传感系统提供了理论参考.     

探针诱导表面等离子体共振纳米光刻系统

提出了一种在原子力显微镜(AFM)基础上设计的探针诱导表面等离子体共振纳米光刻(PSPRN)系统.此系统不但实现了探针的精确控制,而且由于系统本身具有AFM的全部功能,因此可以实时检测样品表面的形貌以及光刻效果.系统采用改进的Kretschmann型共振耦合器件,在棱镜和样品基板之间注入匹配折射率油,使样品更方便更换;利用声光调制器与AFM配合实现了等离子体激发光照射时间的精确控制.通过初步实验,在银(Ag)膜表面获得了直径100 nm左右的光刻点,验证了PSPRN的可行性.研究了光照时间、激光功率、激光入射角、材料厚度等因素对光刻点大小、深度的影响,为实现更小的光刻点提供了参考.     

太赫兹表面等离激元共振传感器

对通过棱镜耦合的太赫兹表面等离激元共振传感器的工作特性进行了理论分析.此类器件在可见光波段工作时,在由样品折射率、金属膜层性质和厚度决定的共振角度下会出现一个反射极小峰;但工作在太赫兹频率时,表面等离激元共振现象表现为一个反射增强的尖峰,而且这一共振角度与棱镜和样品的折射率之间存在一个简单的对应关系,并不依赖于棱镜所镀...     

激励表面等离子共振的金属薄膜最佳厚度分析

根据电磁场在金属薄膜中的能量分布规律和金属薄膜具有复介电常数的特点,对激励表面等离子共振的金属薄膜的最佳厚度进行了探讨. 指出金属薄膜的最佳厚度与激励光波长和金属薄膜的折射率有关,建立了描述它们之间关系的数学表达式,并用实验方法进行验证. 将理论结果与他人的测量结果进行对比后发现,两者符合较好. 研究结果表明：在角度调制下的表面等离子共振传感器,为了获得更高的灵敏度,可根据激励光波长和金属薄膜折射率的虚部确定所要制备金属薄膜的最佳厚度;在波长调制下,则由中心波长和折射率的虚部确定金属薄膜的最适宜使用厚度. 关键词： 折射率 金属薄膜 全内反射 表面等离子共振     

基于银/二氧化钛复合膜的表面等离子共振气体传感器

表面等离子体共振是一种免标记的传感技术,当介质周围的介电常数发生改变时,则SPR谐振光谱特性也会随之改变。因此表面等离子体共振传感技术已广泛应用于生物化学和环境监测等领域。由于二氧化钛（TiO₂）覆盖层不仅可以保护金属层,还能调谐SPR谐振的光谱强度和谐振波长于近红外波段,应用于1550 nm的光纤传感,其氧化还原反应还能使其用于检测气体。由于氢气易燃易爆性,随着氢能源的广泛应用,因此对低浓度氢气检测技术研究具有特殊的意义。提出一种可更换银/二氧化钛复合膜的表面等离子共振的气体传感器,研究了SPR传感器在1 550 nm近红外波段对气体的敏感特性。研制了可更换银/二氧化钛复合膜的表面等离子共振（SPR）气体传感器。研究了在近红外波段对气体的表面等离子体共振光谱特性。仿真计算Kretschmann棱镜耦合的四层结构模型的共振光谱强度与银膜厚度,二氧化钛厚度和棱镜材料的关系,优化了Ag和TiO₂层的厚度以获得最大灵敏度,得到的最佳膜厚是45 nm Ag和110 nm TiO₂。Ag/TiO₂薄膜设计为可更换的一次性气敏膜,采用蒸镀和溅射方法镀膜,制备成本文所使用的 SPR传感器。利用Ag/TiO₂薄膜在复合界面产生SP共振光谱的移动,对气体进行测试。采用Kretschmann棱镜耦合结构的光谱波长检测实验系统。固定光源和入射角,测量波长的偏移量。宽光源（波长范围：1 462～1 662 nm）通过环形器、准直器,照射到棱镜和可更换的Ag/TiO₂敏感膜,经全反射(TIR)后,再由高反射镜反射回传感膜,并以相同的TIR角和光路再次反射回到准直器,从而被光谱仪检测。实验结果表明,Ag/TiO₂复合膜可以调谐共振波长到1 550 nm近红外波段,增强该传感器的光谱灵敏度,低浓度（14.7%～25%）氢气下的灵敏度可达-8.305 nm·%-1。并且可通过更换气敏膜检测不同的气体,增加生物相容性和气体传感能力。     

基于多孔硅的表面等离子共振传感特性

提出了一种基于多孔硅的表面等离子共振传感模型:棱镜-金属膜-多孔硅薄膜-待测介质。在该结构中,多孔硅的折射率会随着样品浓度的变化而变化。利用有限元分析方法,数值模拟得到该结构的共振光谱,对模型进行了分析和参数优化。以乙二醇溶液为待测样本,对提出的传感结构的传感性能进行分析,得到该传感器对乙二醇的传感灵敏度约为267.85(°)/RIU,约为Kretschmann棱镜结构灵敏度的2.13倍。     

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。     

基于偏振分光棱镜的表面等离子体波传感系统

常规棱镜表面等离子体共振(SPR)传感器检测系统共振波谷浅且谷底平坦,从而导致共振波长不易确定。在常规棱镜SPR传感器系统基础上,加入偏振分光棱镜(PBS),构建了一种新型棱镜SPR传感器系统。对PBS的分光带宽展宽进行了研究,提出了基于膜系设计的展宽方法。在无水乙醇检测的实验中,滤除s偏振光后,共振波谷谷底曲率半径由86.2394减小到39.3990,近似减少为滤除s偏振光之前的1/2,这与理论分析相吻合。采用常规和新型棱镜SPR检测系统分别对折射率在1.32~1.39内的6种液体进行了测量,分辨率从1.62×10-4提高到1.55×10-4。该系统能较好地滤除s偏振光,使得共振波谷更加尖锐,从而提高共振光谱的检测精度。     

基于辅助电介质层的棱镜表面等离子体共振效应研究

研究了一种基于棱镜基底-辅助电介质层-金膜-待测介质四层结构的表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)效应激励模型.采用薄膜光学与波导理论,探索了由辅助电介质层与金膜复合而成共振薄膜对SPR效应的激励机理与调制特性.借助时域有限差分方法,数值模拟得到辅助电介质层属性与共振能量传输特性关系.在此基础上,构建了波长调制型棱镜辅助电介质层结构SPR激励系统.研究结果表明,当待测介质折射率相同时,相较基于棱镜基底-金膜-待测介质三层结构的Kretschmann激励模型,辅助电介质层激励模型共振光谱整体向长波方向偏移且半波宽度出现显著展宽效应.而当待测介质折射率增大时,辅助电介质层型激励模型的共振光谱不仅会向长波方向偏移,而且折射率响应灵敏度比棱镜Kretschmann三层激励模型高出75%.因此该模型能够为诸如高灵敏度检测、新型光学滤波与调制器件设计等领域的研究应用提供理论与实践储备.     

Simultaneous excitation of cavity resonance and surface plasmon resonance in Ag/Al<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>3</Subscript>/Ag layer structure

Simultaneous excitation of cavity resonance (CR) and surface plasmon resonance (SPR) was observed in the angular spectrum by substituting Ag/Al₂O₃/Ag layers for the metal film in a Kretschmann structure. Two reflective valleys, elicited respectively by CR and SPR, appeared at different positions in the angular spectrum. The former is the sum of enhanced transmission of CR and absorption of the metal, expressed in the reflection spectrum and extremely insensitive to the changes of the surface environment (refractive index). The latter behavior is like that when two metal films are stuck together: it has almost the same resonance depth and width, and is extremely sensitive to the changes of the surface environment. Moreover, two SPR peaks could be excited simultaneously at one angle but with different wavelengths in the frequency spectrum, which is not seen in traditional Kretschmann structures.     

Surface plasmon optical sensor with enhanced sensitivity using top ZnO thin film

Surface plasmon resonance (SPR) is one of the most sensitive label-free detection methods and has been used in a wide range of chemical and biochemical sensing. Upon using a 200 nm top layer of dielectric film with a high value of the real part ε′ of the dielectric function, on top of an SPR sensor in the Kretschmann configuration, the sensitivity is improved. The refractive index effect of dielectric film on sensitivity is usually ignored. Dielectric films with different refractive indices were prepared by radio frequency magnetron (RF) sputtering and measured with spectroscopic ellipsometry (SE). The imaginary part ε′′ of the top nanolayer permittivity needs to be small enough in order to reduce the losses and get sharper dips. The stability of the sensor is also improved because the nanolayer is protecting the Ag film from interacting with the environment. The response curves of the Ag/ZnO chips were obtained by using SPR sensor. Theoretical analysis of the sensitivity of the SPR sensors with different ZnO film refractive indices is presented and studied. Both experimental and simulation results show that the Ag/ZnO films exhibit an enhanced SPR over the pure Ag film with a narrower full width at half maximum (FWHM). It shows that the top ZnO layer is effective in enhancing the surface plasmon resonance and thus its sensitivity.     

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.     

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.     

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     

Surface plasmon resonance device with imaging processing detector for refractive index measurements

This work presents a new surface plasmon resonance (SPR) instrument based on Kretschmann configuration. This device acquires and processes the reflected SPR image of the sample by using a webcam together with an image processing algorithm that transforms the RGB image in numeric values and correlates the integrated intensity with the refractive index of the solution. Experimental signals were compared with theoretical values and it was found an excellent agreement. In addition, the applicability of the instrument was tested by measuring the refractive index of solutions in a continuous flow mode. Excellent stability and sensitivity of the signal were found in the presence of small changes of the refractive index.     

内置调制层型光纤表面等离子体波共振传感器研究

研究了一种基于内置调制层结构的光纤表面等离子体波共振(SPR)传感器。通过在金膜与纤芯的内侧增覆具有不同厚度和属性的光学透明薄膜作为内调制层,构成了性能独特的光电复合薄膜,起到调节倏逝波矢量和金膜表面等离子体振荡波矢量的双重作用,进而控制共振效应,为调节灵敏度提供依据。采用时域有限差分方法对内置调制层结构光纤SPR共振激励模型属性进行数值仿真。在此基础上,研制了用于液体折射率测量的内置调制层型光纤SPR传感探针。实验结果表明,该传感器在1.335～1.392折射率范围内,随着待测液体折射率的增大,SPR共振光谱向长波方向偏移,且灵敏度达到2263.1nm/RIU,与基于纤芯-金膜-环境介质三层结构的常规光纤SPR传感器相比提高一倍,能够更好地满足环境折射率检测的需求。     

Investigation of dual-channel fiber-optic surface plasmon resonance sensing for biological applications

A dual-channel fiber-optic sensor based on surface plasmon resonance (SPR) for self-referencing refractive-index measurements has been proposed. Most applications of fiber-optic SPR sensors are designed to measure the refractive index of a liquid or gas sample by measuring the signal from a single surface, the sensitivity and stability of which is easily affected by the fluctuation of external environmental conditions. We have designed a dual-channel fiber-optic surface sensor with two independent SPR signals from two areas of the same probe. A prototype sensor was fabricated and characterized. The preliminary experimental results demonstrate the characteristic responses of both SPR signals from two channels that independently correspond to the refractive index changes in the liquid samples with which they are in contact. The design could be extended to a multichannel sensor with further developments. The experimental results confirmed that one channel can be used as a reference sensor that could compensate for unexpected changes in bulk refraction or temperature and develop this sensor as a practicable high-sensitivity biosensing device.