微米纳米微结构光纤传感器的研究现状——论文翻译

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1、微米纳米微结构光纤传感器的研究现状摘要：介绍了最近发展起来的微米纳米微结构光纤传感器，特别是表面等离子体共振光纤传感器和光子晶体光纤传感器。介绍了表面等离子共振传感器的原理，影响参量以及各种不同的结构。同时介绍了不同类型的光子晶体光纤传感器和它们的应用。关键字：表面等离子共振传感器表面等离子振荡光子晶体光纤光纤传感器对光纤传感器的研究已经有很长一段时间了，从研究的角度看很多光纤传感技术已经趋于成熟，一些已经商业化了。然而随着最近在表面等离子共振（SPR）和光子晶体光纤（PCF）技术上取得的巨大进展，微米结构和纳米结构的光纤传感器的研究引起了研究者巨大的

2、兴趣。这篇文章首先介绍SPR的原理和光纤SPR传感器的结构，影响其灵敏度的因素等；然后介绍不同类型的PCF传感器以及简单应用。1.表面等离子共振光纤传感器表面等离子共振现象应用在传感器系统中已经很长时间了。光纤SPR传感器的发展始于上世纪90年代初。尽管1990年就有文章提出用光纤作为SPR传感器的耦合器件，真正意义上用光纤作为传感器头部的光纤SPR传感器出现在1993年。随后，光纤SPR传感器就得到了人们持续的关注和研究。光纤SPR传感器可以探测外部折射率的变化，并且通过调整金属层和覆盖层的厚度等参数可以优化传感器的性能。1.1光纤表面等离子传感器的

3、原理如图1所示，在金属和电介质或者空气的界面处，由于电子浓度的梯度分布，存在着自由电子的浓度振荡，当其与电磁波耦合时就会产生表面等离子振荡（SPPs）。表面等离子体波(SPWs)沿着金属和电介质的界面向前传播。由于表面正常电场成分的存在，只有TM模可以激发SPR。SPPs的一个重要的特征就是在金属和电介质层的交界处，电场的振幅为最大值，在两边的材料内按照指数衰减，如图1（b）所示。造成这个独特的特性的原因是对光来说，金、银、铜、铝等金属的介电常数是负的（金属的介电常数是复数，其实部是负数），而电介质的介电常数是正的。在众多金属中，银有最尖锐的SPR共振

4、峰，而金则有卓越的表面稳定性，这两种金属最常被应用。图2激发SPR的方法有很多种，例如棱镜耦合，波导耦合，光纤耦合以及光栅耦合等。最常用的方法是棱镜耦合的衰减全发射，就是所谓的Kretschmann方法。图2所示为Kretschmann结构：高折射率棱镜的折射率为np，底部覆盖一层介电常数为，厚度为d的金属薄膜，金属膜外面是折射率为（<）的电介质,。在棱镜中传播的光线入射到金属薄膜时，如果入射角大于由和的关系决定的临界角时，光线基本上全部反射回棱镜。倏逝波则穿透进入金属薄膜（因为薄膜很薄，一般小于100纳米），因此在金属和电介质的界面处依然有电场存在。

5、在满足相位匹配条件的时候，这就可能在界面处激发出表面等离子共振波，SPW随后沿着分界面向前传播。SPWs的传播常数与电介质的关系式可以表示为为其中，和分别是电介质和金属的介电常数，是真空中的波长，在棱镜和金属界面处的倏逝波的传播常数，是图2中所示的光线的入射角。如果和相等，SPWs就会被激发。我们注意到在金属和棱镜界面处（M/P）没有SPW。SPWs只会在<的情况下出现在金属和电介质的界面处（M/D）。穿透金属的倏逝波在M/D界面处引发发生表面等离子振荡，使得光被辐射回金属。这些光线与反射光发生相消干涉，使得总的反射光减少。在理想状况下，总反射变为0，

6、所有的透射光转化为M/D表面处的SPWs。在一般的绝缘体-金属-绝缘体结构中，对称的和不对称的SPP模式都是可能存在的，然而在Kretschmann激发模式中，这些模式不可能存在。图3SPW也可以被金属表面的光栅激发出来，如图3所示。如果光栅衍射光的波矢与光栅表面平行，并且和SPPs的传播常数相等的话，光就会被耦合进SPW，如下面方程所示：，其中m是代表衍射级数的整数，是光栅周期。由于在光栅耦合中，入射光直接照在金属表面，因此样品层或者样品液必须是光学透明以便光线通过。这种方法也可以反过来用，即利用光栅把SPWs转化成光。光纤SPR传感器和Kretsc

7、hmann棱镜结构大体一致，只不过棱镜被一个光纤的纤芯所替代，如图4所示。图4显示了光纤SPR传感器的基本结构，光纤的包层被去掉，纤芯对称的被金属层覆盖。光纤可以轻松灵活的激发出SPW。从上面的方程我们可以得到：（4）图4是光纤纤芯的折射率，是样品媒质的介电常数。由于SPWs存在于金属和样品媒质的界面处，因此对界面处条件的任何变化如金属表面吸收分子非常敏感。上面覆盖层折射率的变化将导致SPW传播常数的改变，这个可以通过与SPW干涉的光波的特性的改变观察到。在方程4中，的变化导致SPR角度或者波长的变化。当角度和波长固定的时候，的变化由于破坏了相位匹配条

8、件，将导致反射光强的变化。总体来说，检测共振波长或者共振角的光纤SPR传感器是应用最广泛的。上