自补偿表面等离子体共振生化光纤传感器设计

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1、自补偿表面等离子体共振生化光纤传感器设计张洪英哈尔滨工程大学理学院摘要：表面等离子体共振（SPR）技术是一种应用于无标记检测和生化检测的新技术。由于其具有微型化、便携式、低成本、遥感、实时检测、灵敏度高且响应速度快等优点，在化学、生物学、医学等领域得到广泛应用。光纤SPR传感器具有较高的稳定性和灵敏度，因此在进行生物分子探测及环境探测时需要相对稳定的外界环境。然而在实际检测过程中，SPR传感器性能易受到外界环境（体折射率、外界温度）因素的干扰，从而降低传感器的稳定性和精确度。因此自补偿SPR传感器近年来得到业界的广泛关注。基于不

2、同的传感原理的传感元件结构，本文设计了可以同时补偿体折射率变化及外界环境温度的光纤SPR生化传感器，对其设计理念及工作原理进行了阐述，并通过实验验证了其补偿性能和生化检测性能。关键词：表面等离子体共振光纤传感器自补偿传感生化传感器1引言1.1光纤传感器自20世纪70年代以来，因非接触、响应快、精度高等优点，利用光各种属性为依托的光检测技术获得了快速发展。随着光纤通信、半导体光电技术以及计算机等相关技术及学科的进步，光纤传感技术大力发展，到今日发展已趋于成熟。光纤传感器的基本原理为：光在光纤中传播时，受外界环境的干扰（如温度、湿度

3、、弯曲、应力），光波的特征参量（如波长、振幅、相位）会随之发生相应的变化，从而，光纤作为传感原件实现了对自然界中物理、化学和生物等参量的探测[1-2]。光纤传感器具备多种优点，比如抗电磁干扰，绝缘可靠，抗腐蚀，测量范围广泛，对被测介质影响小，传输损耗小，成本低，使用寿命长，便于成网等等，基于以上诸多优点，光纤传感技术在科研领域中得到深入的研究，并广泛的应用在民用工程、电力系统、化学测量、环境食品安全监测、医疗系统、军用监控等各领域[3-4]。1.2表面等离子体理论等离子体（电浆）是一种离子化气体状物质，由剥夺部分电子的原子以及原

4、子被电离后产生的正负电子组成。表面等离子体（SurfacePlasmons,SPs）是一种能够被电子和光波激发的电磁表面波。当电磁波入射到金属与非导电介质的交界面时，将与两种介质相互作用，从而产生电磁扰动现象。当入射的电磁场满足一定的条件时，在金属的表面上，能够产生一种在金属表面传播的电子疏密波，这种波即为等离子体波[3]。1.3自补偿表面等离子体共振光纤传感器表面等离子体共振技术（SPR）是一种应用了光波传输、电磁波激发、薄膜光学等多种物理机制的光学现象。由于它对吸附在金属表层的介质折射率具有良好的敏感性和动态响应性，因此能够

5、检测液体、气体与折射率有关的变化[5]。SPR效应的产生主要基于两个物理概念——消逝波和表面等离子波（SurfacePlasmons,SPs）。当光全反射时，即为光波射入光疏介质约一个波长深度，再沿界面流动约半个波长后返回光密介质，这种可以穿过光疏介质的波即为消逝波。若将金属的价电子集体振荡看作均匀正电荷中运动的电子气体，可看作一种等离子体，电子的集体振荡形成电子疏密波，即为表面等离子波[6]。当入射角及波长符合一定条件时，消逝波和表面等离子波上发生共振现象，入射光波的部分能量被表面等离子波吸收，造成反射光谱中能量减弱。由于金属

6、表面的介质折射率是决定共振现象的产生因素之一，因此通过探测共振现象的改变，可以达到检测电介质折射率的目的。2表面等离子体共振光纤传感技术原理2.1光纤SPR传感器传统结构传统的光纤SPR传感器一般分为透射传输式结构和反射传输式结构，如图2.1所示，两种传输方式的结构为：光纤纤芯－金属薄膜－待测介质。透射传输式SPR传感器是将光纤中的某段涂覆层及包层除去，并在纤芯表面银一层高反射率的金属薄膜（通常为金膜），约为50nm[7]。普通石英光纤内部能够传播光线的角度为78.5-90度之间。反射传输式SPR传感器是在光纤的一端锻制金属膜作

7、为反射镜，厚度为200-300nm。将此端一定长度光纤的涂覆层和包层剥去，并被制约50nm的金属薄膜。由于反射传输式结构的共振光传输到端面处，再沿原路返回，光是在二次共振后传输到接收端进行检测。即反射传输式光纤SPR传感器产生两次SPR现象，因此相较于透射传输式，传感区长度减小一半。图2.1传统光纤SPR传感器(a)透射传输式(b)反射传输式2.2光纤SPR传感器的计算模型光在光纤中的传输有两种方式[8]：一是在子午面传播的光线，该种方式的传播是在同一平面上；二是不沿子午面传播的光线（斜光纤），该种方式的传播路径是空间螺旋曲线。

8、下面我们讨论斜光线在光纤中的传播，如图2.2所示。光以角从点A入射到光纤纤芯，在B点出发生全反射，且AB与OO不平行也不相交。图2.2斜光线在光线中的传播示意图斜光线的电场在x、y轴上的分量分别为Ex，Ey，如图2.3所示。由于光纤轴面上的切向点能够形成一个圆，