表面等离子共振效应对光纤传输特性的影响

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1、深圳大学研究生课程论文题目等离子共振效应对光纤传输特性的影响成绩专业光学课程名称、代码微纳材料与器件131016020313年级研一姓名张传义学号2120160117时间2012年12月任课教师李玲（老师）SPR对光纤传输特性的影响摘要：本文首先是介绍表面等离子共振效应和对光纤传输特性影响，利用表面等离子共振效应做成传感器，在介绍光纤表面等离子体共振传感器的基本原理、表面等离子体共振光纤传感器的制作及应用。最后介绍一种微孔光纤在光纤表面等离子共振传感器。关键字：表面等离子体共振，光纤传输，传感器，微孔光纤；1引言1902年，WoodR.W在光

2、学实验中观察光栅的反常衍射时，首次发现了表面等离子体子共振现象（SurfacePlasmonResonance）。1941年，Fano根据金属和空气界面上表面电磁波的激发解释了这一现象。存在于金属或半导体表面的自由电子的行为类似于自由电子气，当这些表面自由电子与特定的电磁波相互作用时，将吸收电磁波的能量，从而发生表面等离子体共振。其中光纤表面的等离子共振效应对光纤传输特性的影响表现在对特定光谱的吸收，利用这一性质可以做成光纤表面等离子体共振传感器，以及表面等离子共振传感器的应用和最新发展。2SPR基本原理　存在于金属或半导体表面的自由电子的行

3、为类似于自由电子气体,当这些表面自由电子与特定的电磁波相互作用时,将吸收电磁波的能量,从而产生表面等离子体共振。2.1消逝波光线从光密介质向光疏介质传播时,若入射角大于临界角,则在两种介质的界面处将发生全内反射。但是,光波的电磁场强度在界面处并不会立即减小为零,而是部分地进入到光疏介质中,随入射深度以指数形式衰减,形成所谓的消逝波,消逝波的有效深度一般约为一个波长。因消逝波的存在,光线在界面处的全内反射将产生一个位移。若光疏介质很纯净,在没有吸收和其它消耗的情况下,则消逝波沿光疏介质表面传播约半个波长,再返回光密介质,全内反射强度并不会被衰减

4、。则透过光疏介质的波被称为消逝波。如图1所示。图1透入光疏介质的消逝波2.2等离子波等离子体通常指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体，其中正、负带电粒子数目几乎相等。把金属表面的价电子看成是均匀正电荷背景下运动的电子气体，这实际上也是一种等离子体。当金属表面受电磁干扰时，金属内部的电子密度分布会变得不均匀。因为库仑力的存在，会将部分电子吸引到正电荷过剩的区域，被吸引的电子由于获得动量，故不会在引力和斥力的平衡位置停下，而是向前运动一段距离，之后电子间存在的斥力会迫使已经聚集起来的电子再次离开该区域。由此会形成一种整个电子系统的集体震荡，而

5、库仑力的存在使得这种集体震荡反复进行，进而形成的震荡称等离子震荡，并以波的形式表现，称为等离子波。2.3SPR光学原理我们在前面提到光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。当两波相遇时可能会发生共振。当消逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使反射光的能量急剧减少（如图2灰色部分的光）。图2SPR光学原理图光在光纤中传播时，是全内反射的传播的，如果在纤芯和包层界面上发生表面等

6、离子共振，将吸收入射光的能量（如图3），影响光纤的传输特性，这对光纤通讯时不利的，但是利用这一特点却可以制成传感器，光纤表面等离子体传感器是将高灵敏度的表面等离子体传感技术与低能量消耗的光纤传输技术有机结合。它能够对传感器表面待测介质组成的微小变化作出灵敏的响应,又具有光纤传感器的特点。目前该技术在化学、生物、环境及医药等领域已展现出了广阔的应用前景。图3固定入射角度SPR信号3SPR传感器理论关于光纤SPR传感器，主要有两种理论处理方法。一种是用几何光纤光学的方法；另一种是波导的耦合理论。3.1几何光学理论SPR是一种电荷密度振荡现象。在电

7、磁波的激励下，如果满足一定条件，SPR将会出现在介电常数符号相反的两种媒介的界面上。比如金属和光纤的界面。这种电荷密度波的激励除了与金属和介质的相对介电常数有关外，还与外施电磁波的传播常数、入射角和偏振状态有关。按照麦克斯韦方程组，可以得知等离子体表面波(SPW)是一种横磁波。现在只考虑光线在光纤子午面上传播。用如图4所示的三层介质模型，来分析发生共振时应满足的条件。假定金属面处于xoy平面，表面等离子体波的振动方向就是在z方向，光纤的介电常数是一个正实数e0，镀在光纤上的金属薄膜的介电常数为一复数e1(w)=er+iei，而e2表示样品的介

8、电常数。激发表面等离子体共振的光波只有水平分量起作用。此处，光波矢在x轴方向的分量(见图4)为：(1)式中，w为入射光的角频率，c为真空中的光速。图4光纤SPR原理