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。     

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.     

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。     

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。     

基于金银合金薄膜的近红外表面等离子体共振传感器研究

利用淀积在玻璃衬底上的金银合金薄膜作为表面等离子体共振(SPR)芯片, 构建了Kretschmann结构的近红外波长检测型SPR传感器. 采用不同浓度的葡萄糖水溶液测试了金银合金薄膜SPR传感器的折射率灵敏度. 实验结果表明随着入射角从7.5°增大到 9.5°, SPR吸收峰的半高峰宽从292.8 nm 减小到 131.4 nm, 共振波长从 1215 nm蓝移到 767.7 nm, 折射率灵敏度从35648.3 nm/RIU 减小到 9363.6 nm/RIU.在相同的初始共振波长(λ_R)下获得的金银合金薄膜SPR折射率灵敏度高于纯金膜(纯金膜在λ_R=1215 nm下的折射率灵敏度为29793.9 nm/RIU). 利用1 μmol/L的牛血清蛋白(BSA)水溶液测试了传感器对蛋白质吸附的响应.结果表明, BSA分子吸附使得金银合金薄膜SPR吸收峰红移了12.1 nm而纯金膜SPR吸收峰仅红移了9.5 nm. 实验结果还表明, 在相同λ_R下, 金银合金薄膜SPR吸收峰的半高峰宽大于纯金膜的半高峰宽, 因此其光谱分辨率比纯金膜SPR传感器低. 关键词： 金银合金薄膜 表面等离子体共振 波长检测型 高灵敏度     

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。     

基于十字连通形环形谐振腔金属-介质-金属波导的折射率传感器和滤波器

提出了由十字连通形环形谐振腔耦合两个金属-介质-金属(metal-insulator-metal, MIM)波导的结构,并用有限元法数值研究了表面等离极化激元在结构中的传输特性.通过对透射谱的研究,系统地分析了MIM结构的传感特性.结果表明,在透射光谱中有三个共振峰,即存在三种共振模式,其中透射峰与材料的折射率呈线性关系.通过对结构参数的优化,得到了折射率灵敏度(S)高达1500 nm/RIU的理论值,相应的传感分辨率为1.33×10~(-4)RIU.更重要的是,灵敏度不受结构参数变化的影响,这意味着传感器的灵敏度不受制造偏差的影响.此外,谐振波长与环形腔中心半径成线性关系,该器件在较大波长范围内实现可调谐带通滤波.透射强度随着波导与环形腔间距的增大而减小,透射带宽同时减小,因此,可以通过控制环形腔与波导的耦合距离来调谐透射强度及透射带宽.研究结果对高灵敏度纳米级折射率传感器和带通滤波器的设计以及在生物传感器方面的应用都具有一定的指导意义.     

表面覆膜波导光栅共振光谱特性及传感机理分析

基于波导光栅共振原理和古斯-汉欣(Goos-Hänchen)位移理论,提出一种表面覆膜波导光栅传感结构,并研究其共振光谱特性。通过在光栅表面涂覆低折射率聚合物功能膜层优化其共振光谱特性,选用多孔硅作为待测物承载单元,可以使光学探针更充分地接触待测样本,从而提高其检测性能。根据波导光栅共振相位条件,建立了共振波长和样本折射率之间的数学模型,通过检测共振位置的改变进而对样本浓度进行检测。研究表明,该表面覆膜波导光栅传感结构具有线型对称和窄线宽的共振光谱特性,可实现高品质因数(Q值)和高灵敏度的传感特性,其Q值为1 488,对折射率的检测极限可达5×10-4 RIU(RIU为折射率单位)。通过检测不同浓度的葡萄糖溶液对其传感特性进行验证分析,结果表明,共振波长与葡萄糖溶液浓度之间具有良好的线性关系,对葡萄糖溶液的检测灵敏度为1.12nm/1%,证明了该表面覆膜波导光栅传感结构的有效性,可以用于对低浓度样本溶液的实时动态监测,并为波长调制型光学折射率传感器的研究提供理论指导。     

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。     

螺旋形塑料光纤表面等离子体共振折射率传感器

研究了基于波长调制的螺旋形塑料光纤(plastic optical fiber, POF)表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)折射率传感器。采用机械热压和扭曲法将塑料光纤制备成螺旋形,在螺旋形POF上通过磁控溅射蒸镀一定厚度(约50 nm)的金属薄膜来激励SPR效应,从而形成螺旋形POF-SPR传感器。通过对螺旋形POF-SPR传感器的结构进行修饰,研究不同结构参数对折射率传感特性的影响。实验结果表明:由厚度为500μm扁平形POF扭制、螺纹数为4的螺旋形POF-SPR传感器具有较好的线性度和折射率传感特性,在折射率为1.335～1.400范围内测得的灵敏度为1 262 nm/RIU。该传感器具有成本较低、制备简单、结构稳定等优点。     

基于表面等离子体共振的4杆悬浮芯光纤折射率传感仿真分析

设计了一种小芯径的4杆悬浮芯光纤折射率检测传感器,并针对这种光纤模拟了三种不同的抛磨结构。通过在开放式的气孔中涂覆金膜来激发表面等离子体共振效应。采用有限元方法（FEM）分析了开放式悬浮芯光纤的表面等离子体传感特性,并研究了传感金属层和悬浮杆厚度对传感效果的影响。单孔抛磨结构和相对两孔抛磨结构的折射率检测范围为1.31～1.42,最大灵敏度分别为15000 nm/RIU（refractive index unit）和16000 nm/RIU,分辨率分别为6.7×10^-6 RIU和6.25×10^-6 RIU。相邻两孔抛磨结构的折射率检测范围为1.31～1.40,最大灵敏度可达20000 nm/RIU,分辨率可达5.0×10^-6 RIU。此传感器在测量高折射率物质方面具有很好的性能,便于制备,将来有广阔的市场应用前景。     

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.     

基于乙醇密封共振腔金属-介质-金属波导的高性能温度和折射率两用传感器

为了提高现有的亚波长量级温度传感器和折射率传感器的各项工作性能,本文基于表面等离激元提出了一种拥有尖锐峰的高灵敏度、高集成度的环八边形表面等离子体共振传感器.理论分析了以乙醇作为热敏填充材料使温度和有效折射率建立线性转换关系的可行性,并利用多模耦合模式理论(MICMT)对该传感器的透射峰进行了拟合和理论分析,再利用有限元法(FEM)进行了仿真分析,理论结果和仿真结果高度匹配.然后对环八边形共振腔的各项参数进行了有限元数值模拟,计算得出该传感器的最佳参数设置.和以往结构设计对比,该两用传感器拥有工作波段范围广、半峰全宽窄、易于集成等诸多优点,作为传感器的温度灵敏度和折射率灵敏度分别高达0.9 nm/℃和2400 nm/RIU.该结构兼具一些传统腔体的优点,为以后基于表面等离激元设计的微纳光子温度传感和折射率传感两用器件提供了一种高性能的腔体选择.     

用于生物传感的相位调制的铝膜-石墨烯结构

为了提高铝基等离子体传感器的灵敏度和稳定性,提出了一种基于相位调制增敏的表面等离子体共振传感结构:铝膜-石墨烯复合结构.采用Kretschmann传感结构,将铝膜和多层石墨烯依次沉积在高折射率棱镜上.基于传输矩阵原理,模拟计算激发光波长为632.8 nm时,几何结构参数对传感性能的变化规律.研究结果表明,相比于传统的角度调制模式,该传感结构采用相位调制模式,可以实现2个数量级的灵敏度增强.同时,石墨烯薄层的引入不仅能够有效阻止等离子体铝膜被氧化,而且能够产生近83倍的探测灵敏度增强因子.对于界面折射率变化为1.333～1.334 2 RIU,该复合结构的最大差分相位为94.663o,能够产生超高的相位探测灵敏度7.888 5×104 o/RIU.该传感结构可为开发低成本、超灵敏的铝基等离子体传感器件提供参考.     

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.     

基于光谱解调的对称波导型表面等离子体共振传感研究

表面等离子体共振(SPR)传感系统有角度谱、光谱、强度、相位等解调方式,其中光谱型的(SPR)传感系统因可以使用光纤导光,将传感部分独立出来,可进行远距离传感和现场检测,并能有效缩小系统的体积。对称光波导型(SOW)SPR因金属膜层两边的折射率完全相同,表面等离子体波传播距离更长,穿透深度更深,比传统的SPR系统具有更高的灵敏度和分辨率。对对称波导型(SOW)SPR进行光谱解调研究,以MgF₂-Au-MgF₂结构的SOW-SPR为传感单元,同时以光纤输出的卤素灯为光源, 搭建了一套光谱解调的SOW-SPR检测系统,以不同浓度的葡萄糖溶液对系统折射率分辨率进行测量,得到2.8×10-7 RIU的分辨率。为SOW-SPR系统小型化、现场检测以及远距离探测提出一种可能实现的手段,具有很好的应用前景。     

基于氧化铟锡的十重偏芯D型光子准晶光纤的高灵敏度表面等离子体共振传感器

设计并分析了一种高灵敏度表面等离子体共振(SPR)传感器,该传感器由偏芯D型结构的十重光子准晶光纤(PQF)组成,并局部涂覆氧化铟锡(ITO).偏芯D型结构可以使液体分析更加方便,增强了纤芯模与SPP模之间的耦合,提高了传感灵敏度.采用有限元法对传感器的特性进行研究.结果表明,传感器的波长灵敏度随折射率(RIs)的增大...     

基于电磁诱导透明的人工表面等离激元片上传感器（特邀）

利用排布在人工表面等离激元传输线两侧的微结构谐振组实现了波导类电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency, EIT）效应,并基于此开发了结构紧凑的片上传感器。根据电场分布的特性,发现片上类EIT效应的传感工作机理主要是利用暗模谐振器内部的强局域化电场对周围介质的敏感程度,能够反映到EIT特征频率的偏移量和谐振幅度的变化。进一步地,详细仿真了待测物的折射率、正切损耗、厚度、半径等参数变化对EIT透明窗口的响应规律,发现该片上传感器在1.26～1.79折射率变化范围下的灵敏度可达1.12 GHz/RIU,传感品质因数值为5.45。实验中通过对三种食用油进行传感测量,验证了所提出的基于类EIT效应的片上传感器具有高灵敏度、无标记检测和实验灵活的特点。     

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。     

基于锥形探头光纤表面等离子共振传感性能优化

为提高系统的测量范围、灵敏度与线性度,利用拉锥光纤替代均匀光纤,进行表面等离子共振光纤传感器性能优化研究.通过大功率激光熔融拉锥工艺,结合圆环靶磁控溅射制备了锥形光纤等离子共振探头;利用光纤光谱仪,在1.33-1.43RIU折射率变化范围内,以探头的表面等离子共振吸收谱对称性、吸收谱半高全宽的稳定性,以及探头共振吸收波长分辨率为指标,进行探头性能测试与筛选;利用筛选出的探头,基于调频光谱原理构建闭环检测系统;在相同检测对象与检测环境条件下,以阿贝折射率仪测量结果为参照,对均匀探头与锥形探头的检测结果进行比较.结果表明,在1.33-1.43RIU范围内,相对于均匀光纤探头0.00032RIU的测量准确度、2 600nm/RIU的波长分辨率,锥形探头可在较大折射率变化范围内,以较好的线性度,实现0.00003RIU测量灵敏度和约4 500nm/RIU的波长分辨率.