光纤倏逝波及其应用.ppt

光纤倏逝波及其应用,福州大学物理与信息工程学院黄衍堂,倏逝波的概念,光在边界上满足斯涅耳（Snellslaw）定律：,对于,斯涅耳定律表明，,，,是一个折射虚角。根据电磁场理论中的边界条件，电场强度,沿两介质分界面的切向分量必须连续，在介质2中必然存在电磁场.,介质分界面的波矢,若在xoz平面内传播,折射波的电场的复数表示:,上式表示在发生全反射时,折射波在沿界面的Z方向仍具有行波的形式,在垂直界面的x方向则按指数衰减,在媒质2中,沿x方向在波长的数量级内振幅显著的减少,与Y方向的行波综合考虑,这种波只存在于第2媒质的表面层,它的等位相面与分界面垂直,等振幅面与分界面平行,这是一种非均匀波,非辐射波，被称之为倏逝波.,穿透深度:,由于倏逝波的振幅以指数衰减，在离界面几个波长处已经变得十分微弱，所以倏逝波效应常常被忽略。但自从1975年Kronick和Little第一次利用倏逝波进行一项荧光免疫检定以来，倏逝波荧光传感器已经历了30年的发展。,光纤的倏逝波,近年来，将光纤融熔拉制成锥光纤后，倏逝波占导波光的比例大大增加，激发了人们对光纤倏逝波研究的兴趣。当光纤经融熔拉制成锥光纤时，锥腰很细，其典型大小为零点几到几个微米。此时原纤芯已不存在，其中传输的模是属于以空气为包层的细纤的模。由于锥腰很细，已与光波长同一数量级，倏逝波场有很大部分的能量透入到介质2（包层）中。光纤外、内传输的能量比例达到5070%甚至更高，这是锥光纤倏逝波将得以大显身手的重要原因。,光纤的倏逝波,光纤倏逝波的应用,、光纤倏逝波生物、化学传感器光纤倏逝波生物传感器以生物分子作为敏感元件进行检测的一类新兴传感器.光纤倏逝波生物传感器原理：在光纤表面上加上生物识别分子（如羊抗人免疫球蛋白(IgG)）置入检测环境，当倏逝波穿过受反应后的生物识别分子时，或产生荧光信号，或导致倏逝波与光纤内传播光线的强度、相位或频率的改变，测量这些变化，即可获得生物识别分子上变化的信息。从而检测通过特异性反应附着于纤芯表面倏逝波场范围内的生物物质的属性及含量。,光纤倏逝波生物传感器具有如下优点:灵敏度高,生物特异性强,因为不受纤芯表面倏逝波场以外的生物分子的干扰;操作简单,测量速度快,时间短,因为无需将光纤从被测溶液中取出和清洗,杂交反应完成后马上可以进行荧光检测;3)可以进行现场检测;4)可以对生物反应的动态过程进行监测,即在杂交反应过程中进行荧光检测;5)整机可以小型化；6）光纤很细，可以通过口腔、血管进入体内检测，而无需开刀。,.,2、光纤倏逝波氢气传感器,原理:是基于氢气与某一种特殊物质的可逆化学反应,如钯(Palladium)、铂(Platinum)和氧化锡(Tinoxide)等，而产生物理参数和光学特性改变的原理。如光纤Pd膜氢敏传感器,就是指在锥光纤或光纤光栅包层上溅射与氢气发生化学反应的Pd膜,将其置于氢气环境中,其光学特性发生变化。不同的氢气浓度,反应后生成的PdHx折射率也不同，测量折射率从而得到氢气浓度值。,3、基于锥光纤与光学微腔耦合的光通信器件,.,锥光纤与微腔的耦合原理示意图,.,3、基于锥光纤与光学微腔耦合的光通信器件,微环谐振腔的谐振吸收谱线,.,.,微球谐振腔激光器,微球谐振腔的谐振吸收谱线,.,4、锥光纤用于光子扫描隧道显微镜探针,光子扫描隧道显微镜（PSTM）是利用光学隧道效应将探测到的携带物体表面精细结构信息的非辐射场倏逝波，耦合到锥光纤探针的倏逝波，进而转为沿光纤传输的传播波，经过对传播波的处理，就可以得到物体表面的精细结构。,.,以图1-8(a）近场光学显微镜为例，其结构是由激光器和光纤探针构成的局域光源，带有微动装置的样品台和由显微镜物镜等构成的光学放大系统三部分组成。采用具有纳米尺度大小的局域光源，在纳米尺寸的近场距离内按设定要求逐点扫描照射被测样品，来自样品的局域光信号由显微物镜放大并经光电倍增管接收和计算机图像处理，将来自样品各点的局域光信号复原为样品的图像。扫描光子隧道显微镜是另一类的近场光学显微镜，见图1-8(b）。这里采用的照明光源与上述的近场光学显微镜不同，而是与传统显微镜所用光源相似，也用扩展光源在远场照明，但用暗场照明方式，且传统的光学仪器的镜头被细小的光学探针所代替，其探针尖端的孔径远小于光的波长。将这样的探针放置在距样品表面一个波长以内，可以探测到仅仅存在于表面的非辐射场内的丰富的有关材料表面精细结构的信息。,结论,由于倏逝波的振幅以指数衰减，限制在离界面波长量级处，这个特点促使光纤倏逝波在现代生物传感器，光纤氢气传感器等领域大大发挥了作用。随着现代电子及生物技术的迅速发展,光纤倏逝波生物传感技术已形成一个独立的新兴高科技领域，由于它能提供快速而有效的分析手段代替传统的实验室技术,从而给生物医学、环境检测、食品医药工业及军事医学领域直接带来了新的