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2 0 1 0年 第 2 9卷 第 5期 传感器与微系统 T r a n s d u ce r a n d Mi cr o s y s t e m T e ch n o l o g i e s 4 7 影响光纤 S P R传感器性能的几个 因素 孟 庆 民 临沂师范学院 信息学院 山东 临沂 2 7 6 0 0 0 摘要 要设计最佳性能的光纤表面等离子体波共振 S P R 传感器 必须研究各种参数对传感器性能的 影响 根据给出的评估标准进行优化 由于所有参数统一优化存在困难 同时也没有必要 因此参数的优 化可以在特定条件下进行 在给出理论公式的基础上 利用设计的S P R传感器对影响性能的各参数进行 了理论计算 并对结果进行了比较和分析 为光纤 S P R传感系统的优化设计提供 了参考 并给出了设计建 议 关键词 物理光学 表面等离子体共振 光纤传感器 折射率 共振强度 中图分类号 T P 2 1 2 1 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 0 9 7 8 7 2 0 1 0 0 5 0 0 4 7 0 3 I n flue ncin g f a ct o r s 0 f o p t ica l fi b e r SPR S e nS 0 r oe r t or m ance M E N G Q i n g m in C o H e g e o f I n f o r ma t io n L i n y i N o rm a l U n iv e r s it y L in y i 2 7 6 0 0 0 C h i n a A b s t r a ct T o d e s i g n f ib e r S P R s e n s o r w it h o p t i m a l p e rf o r ma n ce t h e in fl u e n ce o f al l p a r a m e t e r s o n p e r f o rma n ce o f t h e s e n s o r s h o u l d b e s t u d i e d o p t i miz a t io n C an b e r e a l i z e d a cco r d i n g t o e s t i ma t i o n s t a n d a r d I t i s v e r y d i ffi cu l t a n d u n n e ce s s a r y t o o p t imiz e all p a r a me t e r s S O p a r am e t e r o p t imiz a t io n C an b e ca r ri e d o u t in p a r t icu l a r co n d it io n On t h e b a s is o f g iv in g a ca d e mic f o r mu l a Al l p a r a me t e rs w h ich i n fl u e n ce ch ara ct e ri s t ics is t h e o r e t ic ca l cu l a t e d u s i n g t h e S P R s e n s o r Op t i mal s u g g e s t io n is p r o v id e b y co mp a r in g and a n aly z i n g t h e e x p e ri me n t r e s ult s Ke y w o r d s p h y s i cal o p t i cs s u r f a ce p l a s m o n r e s o n ance S P R o p t ical fib e r s e n s o r r e f r a ct iv e in d e x r e s o n ance in t e ns it y 0 引 言 自1 9 6 8年 O t t o A 等人首先设计了棱镜耦合的表面 等离子体波共振 s u rf a ce p l a s m o n r e s o n a n ce S P R 传感器之 后 出现了多种基于S P R效应的传感器 J 其中 在上世 纪 9 0年代初出现的基于 S P R技术的光纤传感器 同 棱镜传感器相比 它体积小 响应快 成本低 可以实现在线 实时检测 有着更大的研究前景和经济价值 在光纤 S P R传感器中 最为重要的结构就是光纤 S P R 传感探头 通常 光纤 S P R传感器中采用的光源带宽是确 定的 因而波长不可调节 而入射角范围由光纤的数值孔径 决定 一旦传感器设计好 入射角范围也随之确定 也不可 调节 另外 在一定的温度下 传感器中各个构件的色散特 性是一定的 不可调节 但对于被测对象 通常假定其折射 率无色散 尽管这些参数变为确定的 然而 光纤 S P R传 感探头却带来了其他各种参数 并且 对传感系统的性能产 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 0 7 基金项 目 山东省 自然科学基金资助项 目 Y 2 O O 8 E O 1 生一定 的影 响 本文首先建立光纤 S P R传感器的理论模型和理论计 算公式 然后 利用这些参数进行理论计算 并对结果进行 分析比较 从而为优化光纤 S P R传感器性能提供依据 1 相关理论 本文所设计的光纤 S P R传感器由光纤纤芯 黏结层 金属层 常用的为 A u和 A g 组成 图 1为结构示意图 g 膜 图 1 光纤 S P R传 感器结构设计图 Fig 1 S t r u ct u r e d ia g r a m o f o ptica l fi b e r S PR s e n s o r 以子午光线在光纤中的传输和对表面等离子体共振的 作用为例 给 出光纤 S P R传感器 中相 应的理论计算公 式 4 8 传 感 器 与 微 系 统 第 2 9卷 z d 2 1 1 干扰性能有所提升 A l2 l3 d d 1 f 古 帆 2 式中 f d 0 为光线在传感器中的反射次数 0 为光纤 内反射角 A为入射光波长 f 为被测介质温度 n o n n 2 为分别为纤芯 黏结层 金属层和被测介质的折射率 d d d 分别为纤芯直径 黏结层和金属层的厚度 2 为探头长度 为模数 为入射角 为传播模式分布密度函数 且 6 i 熊 2 计算结果分析 2 1 折射率的影响 计算中采用的纤芯折射率变化范围为 1 4 o 1 8 0 R I U 间隔0 0 2 R I U 金属层分别为 A u和 A g 结果如图2所示 7 50 7 0 0 墨 6 5 0 6 0 0 羹 5 5 0 4 5 0 4 O O I 柏1 4 5 1 5 O 1 5 5 1 6 0 1 6 5 1 7 O 1 7 5 纤芯折射率 图 2 纤芯折射率和共振 波长的关系 Fig 2 Re l a tio n o f fi b e r co r e r e f r a ct iv e in d e x a n d r e s o ns n ce wa v e l e ng t h 可以看出 对于确定的被测环境介质 无论是 A u膜还 是 A g 膜光纤S P R传感器 其共振波长随着光纤纤芯折射率 的增大而减小 换言之 如果被测对象的折射率较大 可以 采用折射率较大的光纤纤芯 并且 从 图2中可以看到 光 纤纤芯的折射率对于 A g 膜光纤 S P R传感器的共振波长影 响较大 调整范围为2 5 0 n m 而 A u 膜光纤 S P R传感器的调 整范围只有 2 0 0 n m 通常希望传感器工作在较高的波长 上 因为在较高波长上传感器的灵敏度较高 因此 并不是 光纤纤芯的折射率越大越好 一般光纤纤芯折射率和被测 对象折射率在一个相差不大的范围内比较合适 2 2 光纤纤芯直径 式 1 表明 光纤的直径直接和反射次数有关 直径越 小 反射次数越多 共振区域增加 从而光谱 曲线的共振峰 值会越小 在 1 0 0 1 1 0 0 m范 围内 以间隔 1 0 0 la m改变光纤纤 芯直径 d 可得结果如图3所示 结果表明 光纤纤芯的直 径变化没有导致共振波长发生偏移 但共振强度有所变化 图4 光纤纤芯直径越小 反射次数则越多 相对共振区 域增大 处于共振波长处的光波能量吸收增加 从而反射回 来的共振强度变小 随着光纤纤芯直径的增加 传感器的抗 波长 r u n 圈 3 A u膜和 Ag膜光纤 S P R传感器中不同光纤直径对应的 光谱 曲线 F ig 3 s p e ct r u m cu r v eof d iffe r e n tfi b e r d ia inAu fil m a n d Agfil m o p t ica lfibe r S PR s e n s o r 3 5 3 0 2 5 2 0 l 5 l 0 5 0 0 1 0 Z O 3 0 4 O 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 1 1 纤芯直径 力 m 图 4 共振 强度与光纤纤芯直径 的关 系 F ig 4 Re l a ti o n of r e s o n an ce i nt e n s it y a nd fibe r C O re d ia A g 膜光纤 S P R传感器和 A u膜光纤 S P R传感器的特 性与光纤纤芯直径的关系一致 表明光纤纤芯直径的变化 与采用何种金属材料不相关 通常选用直径为 4 0 0 I L m或 者6 0 0 O J n的石英光纤 这样既可以保证共振强度适当 又 兼顾到传感器的抗干扰性能 2 3 探 头长度 探头长度对传感器性能的影响类似于纤芯直径 从 式 1 可见 探头长度同样直接和反射次数有关 探头长度 越长 反射次数越多 共振区域增加 从而光谱曲线的共振 峰值会越小 改变探头长度 z 分别为 1 2 5 1 0 1 5 2 O 2 5l n r n和 3 0 mm 理论计算结果表明 探头长度的变化不会影响共振 波长 而会影响共振强度 如图5 随着探头长度增加 反 射次数也随之增加 共振区域增大 处于共振波长处的光波 能量吸收增加 从而反射回来的共振强度变小 实际设计时 探头长度应该根据实际需要选取 通常希 望体积小些 这样容易加工 本文设计的 A g 膜光纤S P R传 感器的探头取为2 5 i i ra A u膜光纤 S P R传感器的探头取为 1 5mmo 2 4黏 结层 为了提高传感器寿命 有必要加上黏结层 增加金属层 和光纤纤芯之间的黏结力 关于黏结层的选择 必须满足在传感器的工作波段透 明 对各个波段的吸收要小 尽量不要影响传感器的特性 本文中选用 C r 作为黏结层 骶 唾 第 5期 孟庆民 影响光纤 S P R传感器性能的几个因素 4 9 探头长度 rim 圈 5共振 强度与探头长度的关系 Fig 5 Re l a t io n o f r e s o n ll c e in t e n s it y a n d pr o b e l e n g t h 在实验中 以间隔 l n m在 0 1 0 n m间改变 cr 层的厚 度 d 理论计算结果表明 cr 层的存在不会导致共振波长 发生变化 但厚度的增加会阻碍光进入金属层 使得激发表 面等离子体共振的光减少 从而会导致共振强度增加 如图 6 在设计的 A u膜光纤 S P R传感器设计中 cr 层厚度取 为 2 4 n m 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 O 1 5 l 0 5 黏接层 厚度 n m 图6共振强度与黏 结层厚度 的关 系 F i g 6 Re l a t i o n of r e s o n a n ce i n te n s i ty a n d a d h e s j v e l a y e r t h ick ne s s 2 5 金属层 S P R传感器中 金属的特性至关重要 一般而言 能够 用于S P R传感器的金属材料有 A u A g cu A l 等 其中 以 A g的特性最佳 其次是 A u 虽从光学特性而言性能次之 但 A g 膜光纤 S P R传感器的寿命较长 然而 A g膜的化学 特性活泼 容易氧化 因此 常规的 A g膜光纤S P R传感器只 适合一次使用的场合 并且 必须在制造后一周内使用 如 果时间太长 就会因氧化而导致传感器性能急剧下降 合 适的方法是在 A g层的外层再加上保护层 这样可以提高 A g 膜光纤 S P R传感器的寿命 实验 中 以 5 n m 间隔在 2 0 8 0 B i l l 改变 金属 层 的厚度 理论计算表明 无论是 A g 膜光纤 S P R传感器还是 A u 膜光纤 S P R传感器 在膜层较薄时 比如 2 0 4 0 n m 共振波 长受金属层厚度影响非常明显 如图 7 这主要是金属膜 层在这个厚度下尚未完全形成较均匀的表层 因此 表层电 子浓度与表层结构关系密切 导致共振波长受金属厚度影 响明显 当金属膜层厚度超过 4 5 n m时 金属层已经成为 表面较为平滑 厚度较为均匀的一层 此时 即使金属厚度 再增加 但表面等离子体浓度已趋稳定 共振波长也相对稳 定 事实上 在厚度低于 4 O n m时 传感器的鲁棒性相当 差 测试的稳定性和重复性较差 厚度超过 4 5 n m后 传感 童 案 金属膜厚度 n m 图 7 共振波长和金属膜层厚度的关 系 g 7 Re lat io n o f r e s O 咖O e wa v e l e n g t h a n d me t a 1 f 1 1 m t h ickn e 器才具有很好的鲁棒性 因此 传感器中无论是采用 A u层 还是 A g 层都要求厚度大于 45 n m 但是并非越厚越好 随 着厚度增加 导致共振强度增加 如图8 这样不利于检测 折射率虚部变化的环境介质 在设计的系统中 A g 膜厚度 为5 4 0n m A u膜厚度为 5 0 1 n m 金 属 膜 厚 度 n m 图 8 共振强度与金属层厚度的关系 F i g 8 Re lat io nof r e s o n a n cei n ten s i ty a n dme t a l fi l mst h ick n e s s 3 结论 通过对影响光纤 S P R传感器性能的各参数的计算和分 析 为进一步优化光纤 S P R传感器结构和性能提供了理论 和实验依据 事实上 式 2 只是给出了基于图1结构的光 纤 S P R传感器反射系数计算公式 与实测数据并不一致 实际检测中 应首先记录光纤 S P R传感器在空气中的波长 谱作为参考信号 然后 记录传感器在被测对象中的波长 谱 并取其比值加以修正后 才是真正需要检测的信号 值得注意的是 上述结果和分析均没有考虑被测介质 温度的影响 实际上 表面等离子体波与表面等离子体密 度密切相关 而等离子体密度又与温度相关 因此 系统应 用中必须考虑温度问题 参考文献 1 O t t o A E x ci t a t i o n o f s u r f a ce p l a s m a w a v e s i n s il v e r b y t h e m e t h o d o f f r u s t r a t e d t o t a l r e fl e ct i o n J z P h y s i k 1 9 6 8 2 1 6 3 9 8 41 0 2 K r e t s ch m a n n E T h e d e t e r m i n a t i o n of th e o p t i ca l co n s t a n t s o f m e t a l s b y e x cit a t i o n of s u r f a ce p l a s mo n s J Z P h y s i k 1 9 7 1 2 4 1 31 3 3 2 4 3 郭继华 刘通 神 帅 表面等离子体波检测的新技术研 究 J 光学学报 1 9 9 6 1 6 9 1 3 2 2 一l 3 2 5 4 Ho mo l a J Ye e S S G a u g l i t z G S u r f a ce p l asm o n r e s o n a n ce s e n s o rs r e v i e w J S e n s o r s a n d A ct u a t o r s B 1 9 9 9 5 4 3 1 5 下转第 5 2页 骤 蕊 舀 嗽 日 5 2 传 感 器 与 微 系 统 第2 9卷 表 1 实验数据 Ta b 1 Ex p e r ime n t a l d a t a 距目标距离实测值绝对误差 距目标距离实测值绝对误差 m i l 1 m il1 m il 1 h i m m m 1n m 4 6 7 4 6 6 1 24 1 2 2 4 1 2 0 4 8 7 4 8 6 1 24 0 7 2 4 0 6 1 4 9 2 4 9 2 0 23 8 7 2 3 8 5 2 l 6 2 7 1 6 2 7 0 28 6 1 2 8 5 8 3 1 6 3 2 l 6 3 7 1 28 5 6 2 8 5 5 1 1 6 4 2 1 6 4 l 1 28 4 6 2 8 4 4 2 由实验数据可得 系统平均误差为 1 0 8 mm 测量精 度达到了激光测距仪本身标称的精度 表明测量精度未受 光学系统影响 同时 测距仪的量程大幅度减小 这是由于 激光测距仪接收到的光功率减小造成的 这里的衰减主要 产生于透镜与光纤的耦合处 这一衰减可以通过增大透镜 的面积和在透镜与光纤间填充特殊液体等方式减小 3 结论 本文分析了基于相位式激光测距的光纤传感器原理 通过搭建实验平台进行了实验 证明激光测距仪的激光接 收回路经改造后依然能够实现精确 稳定的测量 这种传 p 上接第4 6页 定方法可以有效地弥补单站位标定方法带来的标定结果无 规律和被测点超出标定的区域时成像精度无规则变化的不 足 但是 多站位的 C C D相机的标定方法的工作量比单站 位时增加了很大 时间花费也过长 可以适当地减少影响较 小的区域 并考虑优化标定程序中的算法 进一步提高测量 精度 参考文献 1 段发阶 张健新 叶声华 C C D摄像机标定新技术 J 计量学 报 1 9 9 7 1 8 4 2 9 6 2 9 8 2 叶声华 王仲 曲兴华 精密测试技术展望 J 中 国机械工 程 2 0 0 0 1 1 3 2 6 2 2 6 4 3 孙长库 魏嵬 张效 栋 等 C C D摄像 机参 数 标定 实验 设 p 上接第4 9页 5 J o r g e n son R C S u r f a ce p l a s m o n r e s o n a n ce b a s e d b u l k o p t i c and m目 o p t i c s e n s o r s D Wa s h in g t o n U n i v e r s i t y o f Wa s h i n gto n 1 9 9 3 6 曹振新 梁大开 郭明江 光纤表面等离子体波传感器中膜厚 与共振波长关 系 的实验研 究 J 光学学 报 2 0 0 3 2 3 1 1 2 5 1 28 7 j K r e t s ch m a n n E R a e t h e r H R a d i a t i v e d e ca y o f n o n r a d i a t i v e s u r f a ce p l a s m o n s e x cite d b y l i g h t J Z N a t u ff o rsch A 1 9 6 8 2 3 21 3 5 21 3 6 8 K r o g e r E K r e t s ch ma n n E S ca t t e r in g o f l i g h t b y s l i g h t r o u g h S i l l f a ce s o r t h i n fil m s i n cl u d i n g p l a s m a r e s o n a n ce e m i s s i o n J z P h y s i k 1 9 7 0 2 3 7 1 1 5 感器可通过光纤使电学系统远离测量现场 从而达到本安 要求 在石油 化工等领域高危作业环境下的料位 液位等 的测量中具有很好的应用前景 参考文献 1 金国藩 李景镇 激光测量学 M 北京 科学出版社 1 9 9 8 1 0 1 5 2 丁小平 王薇 付连春 光纤传感器的分类及其应用原 理 J 光谱学与光谱分析 2 0 0 6 2 6 6 1 1 7 6 1 1 7 8 3 汪涛 相位激光测距技术研究 J 激光与红外 2 0 0 7 3 7 1 2 9 3 1 4 魏学峰 手持式激光测距仪中高精度测相技术的研究 D 长沙 国防科学