光纤表面等离子体共振传感器理论研究（课堂PPT）

1、CompanyLOGO光纤表面等离子体共振传感器理论研究光纤表面等离子体共振传感器理论研究信息科学与工程学院信息科学与工程学院目录目录参考文献参考文献结论结论仿真结果与讨论仿真结果与讨论光纤光纤SPR传感的基本原理传感的基本原理表面等离子体共振（表面等离子体共振（SPR）传感技术简介）传感技术简介SPR传感技术简介传感技术简介v 表面等离子体共振（表面等离子体共振（surface plasmon resonance, SPR)传感技术因其传感技术因其对外界介质折射率的微小变化极其敏感而广泛应用于物质浓度、含量、对外界介质折射率的微小变化极其敏感而广泛应用于物质浓度、含量、温度以及能够引起折射率

2、变化的相关参数等物理量的测量与检测，在生温度以及能够引起折射率变化的相关参数等物理量的测量与检测，在生物医学、环境污染、食品安全以及石油化工等方面应用前景广阔。物医学、环境污染、食品安全以及石油化工等方面应用前景广阔。SPR是一种物理光学现象，一般系指是一种物理光学现象，一般系指P偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射，消逝波在金属薄膜与介质界面处引起金属表面电子有规律的振内反射，消逝波在金属薄膜与介质界面处引起金属表面电子有规律的振荡，激发起表面等离子体波，入射角或波长在某一值时，表面等离子体荡，激发起表面等离子体波，入射角或波长在某一值时，表面等离子体波

3、与消逝波两波的波矢在金属薄膜与介质界面方向的分量相等，达到波波与消逝波两波的波矢在金属薄膜与介质界面方向的分量相等，达到波矢匹配，两者发生谐振，入射光通过消逝波与表面等离子体波的耦合，矢匹配，两者发生谐振，入射光通过消逝波与表面等离子体波的耦合，能量被金属表面电子强烈吸收，使反射光能量急剧下降，产生表面等离能量被金属表面电子强烈吸收，使反射光能量急剧下降，产生表面等离子体谐振现象。子体谐振现象。v 1968年，年，Kretschmann和和Reather提出了基于衰减全内反射棱镜耦合方提出了基于衰减全内反射棱镜耦合方式激发式激发SPR，促进了表面等离子体共振传感技术的长足发展。，促进了表面等离

4、子体共振传感技术的长足发展。2004年，年， Axela Biosensor公司推出了基于公司推出了基于Kretschmann棱镜结构型棱镜结构型SPR光谱仪，光谱仪，可用于生物分子相互作用的同时测量。目前，可用于生物分子相互作用的同时测量。目前，SPR传感器主要分为传感器主要分为 Kretschmann型棱镜角度调制型和光线波长调制型两类。其中，光纤型棱镜角度调制型和光线波长调制型两类。其中，光纤SPR具有探针体积小、结构紧凑以及可实现远程感测的优势，能够克服具有探针体积小、结构紧凑以及可实现远程感测的优势，能够克服棱镜结构型棱镜结构型SPR传感器体积大、需配备机械可动部件和不能远程传感等传

5、感器体积大、需配备机械可动部件和不能远程传感等缺点。因此，基于表面等离子体共振的光纤传感器引起了人们的广泛关缺点。因此，基于表面等离子体共振的光纤传感器引起了人们的广泛关注。注。光纤光纤SPR传感的基本原理传感的基本原理v光纤光纤SPR传感的基本原理实质仍为基于传感的基本原理实质仍为基于纤芯纤芯-金膜金膜-环境介质三层结构全内反射环境介质三层结构全内反射光学现象。入射角使其发生全内反射，光学现象。入射角使其发生全内反射，在纤芯与金膜的界面上，会有一少部分在纤芯与金膜的界面上，会有一少部分光透入到金膜一定深度并呈指数衰减，光透入到金膜一定深度并呈指数衰减，这部分光波被称作倏逝波。其波矢量界这部分

6、光波被称作倏逝波。其波矢量界面上的分量为面上的分量为 其中，其中， 为光波的角频率，为光波的角频率，c为真空中的为真空中的光速，光速， 为纤芯的介电常数，为纤芯的介电常数， 为入射角。在薄膜与环境介质的界面上，为入射角。在薄膜与环境介质的界面上，局限于金属表面上的等离子振荡会产生局限于金属表面上的等离子振荡会产生一种沿一种沿Z方向传播并且幅度沿方向传播并且幅度沿Z方向衰方向衰减的电磁波，被称为表面等离子体波，减的电磁波，被称为表面等离子体波，其波矢为其波矢为 其中，其中， 为金膜的介电常数，为金膜的介电常数， 为待测为待测介质的介电常数。介质的介电常数。0sinzcorekccore0Rems

7、spwmskc ms图1 光纤SPR传感原理三层结构示意图光纤光纤SPR传感的基本原理传感的基本原理v电磁波发生共振的条件是两个波具有相同的频率和波矢，并且传播方向一致。当电磁波发生共振的条件是两个波具有相同的频率和波矢，并且传播方向一致。当 = 即当入射光波矢沿即当入射光波矢沿Z轴的分量与表面等离子体波波矢的轴的分量与表面等离子体波波矢的Z分量相同时，会导致入射光的分量相同时，会导致入射光的能量被能量被SPW波大幅度吸收，导致反射光强急剧降低。对于纤芯波大幅度吸收，导致反射光强急剧降低。对于纤芯-金膜金膜-环境介质三层结环境介质三层结构，反射光的强度可由构，反射光的强度可由Snell公式来确

8、定，即反射系数公式来确定，即反射系数r可表示为可表示为 其中：其中：exp(2)1exp(2)core mm szmcore m m szmrrik drrrik d22222202()2()2()2()sinszmmzsm sszmmzsmzcorecorezmcore mmzcorecorezmzcorecorezzmmzzsszzcorekkrkkkkrkkkkkkkkk式中 、 、 分别为纤芯、金属薄膜、环境介质的介电常数，d为金属薄膜的厚度， （i,j分别代表core、m、s）表示相邻两层膜界面上的反射系数，其中core、m、s分别代表纤芯、金属薄膜、环境介质。当纤芯-金膜-环境介质

9、三层介质的介电常数和金膜厚度已知时，反射系数r为波长和入射角的函数，若入射角 为定值，则反射系数r仅为波长的函数。仿真结果与讨论仿真结果与讨论v 假定光纤假定光纤SPR传感探头的结构参数列于表传感探头的结构参数列于表1。根据光纤。根据光纤SPR传感器反射系传感器反射系数式，利用数式，利用Matlab对其进行理论仿真模拟。图对其进行理论仿真模拟。图2示出了不同厚度金膜在波示出了不同厚度金膜在波长为长为2001000nm范围内光波激励下产生范围内光波激励下产生SPR现象的仿真光谱图。从图现象的仿真光谱图。从图中可以清晰地看出，当金膜厚度由中可以清晰地看出，当金膜厚度由45nm逐渐增加到逐渐增加到7

10、0nm时，发生波长时，发生波长调制型表面等离子体共振现象时，其共振波长逐渐向长波方向移动，即调制型表面等离子体共振现象时，其共振波长逐渐向长波方向移动，即发生了红移现象。发生了红移现象。表1 光纤SPR传感探头的结构参数图2 不同厚度金膜在波长为2001000nm范围内的仿真反射光谱仿真结果与讨论仿真结果与讨论v 图图3为金膜表面吸附不同介电为金膜表面吸附不同介电常数的介质，光波波长在常数的介质，光波波长在2001000nm之间变化时产之间变化时产生生SPR现象的仿真光谱图。现象的仿真光谱图。从图中可以清楚地看出，当从图中可以清楚地看出，当介质介电常数由介质介电常数由1以很小的变以很小的变化量

11、逐渐增大到化量逐渐增大到1.003时，光时，光纤表面等离子体共振现象对纤表面等离子体共振现象对应的共振波长逐渐向短波长应的共振波长逐渐向短波长方向移动，即发生蓝移现象。方向移动，即发生蓝移现象。上述仿真结果表明，介电常上述仿真结果表明，介电常数的微小变化能够引起表面数的微小变化能够引起表面等离子体共振现象共振波长等离子体共振现象共振波长的较大幅度移动，表明表面的较大幅度移动，表明表面等离子体共振对介质介电常等离子体共振对介质介电常数的变化非常敏感。数的变化非常敏感。图3 金膜表面吸附不同介电常数介质、光波波长由2001000nm之间变化时产生SPR现象的仿真光谱图仿真结果与讨论仿真结果与讨论v

12、 图图4示出了波长范围在示出了波长范围在2001000nm的光波以不同的光波以不同入射角入射到纤芯与金膜表入射角入射到纤芯与金膜表面处产生表面等离子体共振面处产生表面等离子体共振现象的仿真光谱图。从图中现象的仿真光谱图。从图中可以清楚地看出，当入射角可以清楚地看出，当入射角以以0.5度的步长由度的步长由43度逐渐增度逐渐增加到加到44.5度发生度发生SPR现象时，现象时，共振波长逐渐向长波长方向共振波长逐渐向长波长方向移动，即发生红移现象。从移动，即发生红移现象。从图图4可以看出，随着入射角的可以看出，随着入射角的增大，共振吸收峰半峰宽逐增大，共振吸收峰半峰宽逐渐增大，反射率最小值逐渐渐增大，

13、反射率最小值逐渐变小，表明光纤变小，表明光纤SPR对入射对入射角非常敏感，随入射角的增角非常敏感，随入射角的增大，传感灵敏度降低。大，传感灵敏度降低。图4 波长范围在2001000nm的光波以不同入射角入射到纤芯与金膜界面处产生SPR现象的仿真光谱图结论结论1当金膜厚度由45nm逐渐增加到70nm时，发生表面等离子体共振现象的共振波长逐渐向长波长方向移动，发生红移现象2当金膜表面吸附不同介电常数的介质时，介质介电常数由1.005以很小的变化量逐渐增大到1.009时，发生表面等离子体共振现象的共振波长逐渐向短波长方向移动，发生蓝移现象3入射角对光纤SPR传感器的反射光谱有着显著影响，随着入射角的增大，共振波长逐渐向长波长方向移动，且半峰宽度逐渐增大。共振峰处的反射率最小值逐渐变小，传感灵敏度降低SPR传感技术简介传感技术简介v 1牟海维，段玉波，张坤，刘超牟海维，段玉波，张坤，刘超. 光纤表面等离子体共振传感器理论仿光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究真研究J.光学仪器，光学仪器，2011,33（6）：）：1-4.v 2刘超，张坤，孙祺，牟海维刘超，张坤，孙祺，牟海维. 基于基于Au-Ag复合膜的光纤表面等离子体共复合膜的光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究振传感器理论仿真研究J.光学仪器，光学仪器，2012,