表面等离子共振效应对光纤传输特性的影响.doc

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，Wood R.W在光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（Surface Plasmon Resonance）。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。2 SPR基本原理 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。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。2.3 SPR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2 SPR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3 SPR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原理示意图同时，在金属和样品的界面处，金属表面的自由电子气将被激发，产生振荡电荷，从而形成表面等离子体激元，其波矢约为： （2）当Ksp和Kev 相等时, 金属表面的等离子体激元将与消逝波发生耦合, 产生表面等离子体共振吸收,反射光强度急剧下降, 达最小。此时的入射角称共振角。由(1)(2)式可知共振角sp 是w，e0，e1，e2 的多元函数，在实际测量时，往往利用金属膜表面的样品的折射率n 来替代其介电常数，且e0和e1是常量，可知入射角是样品折射率n的关系。3.2波导耦合理论为了提高光纤SPR传感器的灵敏度，不少人尝试了在光纤纤芯中刻入周期性的光栅来更好地激发SPR。但是这种结构分析起来很复杂，传统的几何理论已难有作为，故而波导耦合理论成为研究光纤光栅SPR 的新方法。波导耦合理论一直被用来研究光纤光栅传感器，如今镀金属膜光纤光栅的耦合理论研究，也已有很多。光纤光栅的波动方程在圆柱坐标系中的解是贝塞尔函数，它利用了纤芯导模与同向或反向传输的包层模之间的耦合。根据金属包层的平面光波导理论可知，金属包层的本征方程与同样结构的涂有非金属薄膜的波导方程是相同的，差别仅在折射率分布上，只需将薄膜的折射率取为复数即可。根据金属包层光纤的特点，得到金属包层光纤包层模的本征方程，并求解这一复超越方程，得到包层模的有效折射率，继而求出共振波长、功率密度及场分布。从结构上来看，光纤光栅SPR 和镀金属光纤光栅其实是一致的。当前向传输的基模耦合到前向或后向传输的包层模时，光功率下降，也就出现了表面等离子体共振。但是用波导耦合理论来研究光纤光栅SPR的文章并不多见（故不作详细介绍）。4 光纤SPR传感器光纤SPR传感器的原理基于SPR 对金属表面介质折射率变化的敏感特性，同时由于表面等离子体共振技术和光纤传输技术相结合，光纤在长距离传输过程中, 光损耗较小。全内反射传输光的纤芯, 正好可以作为测量的金属薄膜支持体, 在纤芯的表面镀上一层金属膜, 光纤就可以作为SPR测量的敏感器件，做成传感器。自Jorgenson等人提出了基于光纤的SPR 传感装置之后, 光纤表面等离子体传感器在化学、生物学、环境科学以及医学领域的文献报道逐年增多。4.1SPR传感器分类及制作有两种形式的光纤表面等离子体传感装置。一种是在线传输式 , 另一种是终端反射式。在线传输式光纤SPR传感装置是将光纤中间一段的外层剥去, 在纤芯上沉积一层高反射率的金属膜。在纤芯内进行全反射传输的光,与金属膜相互作用, 满足条件的光将会产生表面等离子体共振吸收。在光纤的出口端检测输出光强度与波长的关系,进行定量分析。终端反射式光纤SPR 传感装置的构造方法是,在光纤的一端沉积一层厚度达300nm 的金属膜, 作微反射镜。将此端的一段长5mm左右的光纤包层剥去, 并在纤芯上沉积50nm左右的一层金属膜。在光线传输过程中, 满足条件的光光将在被金属膜微反射镜反射前后,经过两次共振, 而返回的光传输到光纤光谱仪进行检测。对于光纤SPR传感器, 可以采用和普通棱镜耦合式SPR传感装置类似的角度调制、波长调制、强度调制和相位调制法进行测量，所对应的待测参数分别为共振波长、共振入射角、反射光的归一化光强和相位，其中目前相位调制有着诱人的前景，因为相位调制相比于其他三个调制不受光强和角度的影响。光纤传感器可以直接用纤芯上沉积的金属薄膜做敏感器件。但为了扩大光纤SPR 的应用范围, 和普通SPR 传感器一样, 通常再在金属薄膜上沉积上一层化学或生物敏感膜。光纤SPR传感器的制作方法，在将金属镀膜在纤芯上之前, 需将光纤外包层剥去, 并用合适的溶剂清洗纤芯表面。通常采用真空蒸发镀膜的方法在纤芯表面沉积上一层金膜或银膜, 并经高温退火处理。目前的制作方法也比较多。4.2 SPR传感器的应用光纤SPR的应用研究目前仍处于发展阶段,生命科学和化学是它的两个主要的应用领域。通过建立SPR信号和样品折光率之间的关系,光纤SPR传感器被用于测定样品折射率的变化，进而对引起折射率变化的溶液浓度、敏感层与溶液中特定物质间的生物和化学作用进行研究。5 最新发展方向以下介绍一种简单的6孔微结构光纤来实现SPR传感。设计的光纤传感器如图5 所示, 实心光纤芯由6 个大尺寸空气孔包围, 空气孔直径为d, 两个空气孔的间距为, 空气孔的内表面有一层厚度为dm 的均匀金属膜，利用有限元方法研究金属膜厚、微孔间距、微孔尺寸及外界环境折射率对表面等离子体共振峰所处波长的影响及传感器的灵敏度，同时这种结构的传感器，有效低降低纤芯模的有效折射率，可以很好解决芯模和等离子体模式发生相位匹配问题，具有极好的灵敏度和稳定性，尤其测量液态待测物，灵敏度可达到10-4。 图5 6孔微结构光纤结构表面等离子共振效应对光纤传输特性的影响被广泛应用，其中尤其是是在传感器的方面的应用发展很快，随着微结构光纤和光子晶体光纤拉制工艺的不断成熟，最终实现对光纤SPR传感器的优化。光纤SPR传感器已经实现了小型化和商业化，应该进一步朝微型化方向发展。光纤SPR传感器可以结合集成光波导制作工艺和棱镜式SPR传感器，利用光刻技术有望在一根光纤上或者在棱镜上制作传感器阵列，使传感器实现多功能化和智能化。参考文献1 Jean-Francois Masson, Yoon-Chang Kim. Fiber-Optic Surface Plasmon Resonance Sensors in the Near-Infrared Spectral