第10讲+波长调制型光纤传感器-1

1 2 d m = c 1 2 c d m
SPP dispersion
金属在光频ε <0 n n in n 0，n 0 金属中电场: EE0 exp(n''k0 r), 趋肤深度δ = c/(n''ω)
包层 纤芯 包层 纤芯
反射率高 化学稳定性好: 膜的厚度：50-100nm
金属膜 分子敏感膜 金属全反射膜
Au 膜和Ag 膜是SPR 中最常用的两种金属薄膜

光纤终端反射式
光纤在线传输式
分子敏感膜
为了扩大光纤SPR应用范围，通常在金属膜上再沉积一层化学或生物 敏感膜, 成膜方法： 金属膜直接吸附法
等离子体?
Yes 三种等离子体共振形式: • 体积等离子体激元 • 表面等离子体激元 • 局域表面等离子体激元
金属的响应是由自由电子的行为决定的
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• 表面等离子体波SPW：在金属表面形成沿着金属和介质界面传播的电子
疏密波，由金属和空气界面上表面电磁波的激发产生。
SPW 是表面波 ——沿界面传播, kspp ——法线方向呈短暂约束——衰减波 约束场分布
δ：当振幅下降为1/e时，波传播的距离
• 在低频ω: εm→−∞
• 激发SPW, 入射光波矢应满足:
β
kxinc= β
(相位匹配条件)
介质
k xinc kinc sin d

c
sin
金属
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调制检测方法：
m s Re c m s
入射角固定,光纤SPR传感器多为 波长扫描调制型 透射光强最小波长样品折射率
由snell定律确定的反射系数r为波长和 入射角的函数也可表征折射率变化
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金属膜

光纤SPR传感单元结构类型
入射光波
董国艳
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入射光波的特征参量：波长
出射光波
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本讲内容
光纤光栅传感器 光纤SPR传感器 光声光谱气体检测 传光型波长调制光纤传感器
-光纤荧光温度传感器
波长调制传感机理
• 引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化
原理:
• SPR对表面敏感 •抗体附着在金表面
– 实时监测 – 免标记
– DNA 与蛋白质相互作用分析，此前一直没有简便快捷的方法； – 实时监测DNA 分子间的相互作用：SPR不仅可用于研究蛋白质- 蛋白质, 蛋白 质-DNA 之间的相互作用, 也可用于研究核酸间的相互作用,实时追踪核酸反应 的全过程,包括基因装配、DNA 合成延伸、DNA 的特异切割。 – 药物筛选及鉴定；药物筛选是SPR 技术的另一个应用热点。
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SPW的激发方式——Otto结构
•在棱镜中, 通过全内反射(TIR)产生倏逝波
E2 E20 exp[i(k2 x x k2 z z )]eit
2 2 k2 z k2 k2 x
SPW激发方式——Kretschmann结构
k’1
k1 i1 i’1
结构：直接在全内反射表面镀一层几十nm厚的金属，倏逝波透过金属薄 膜达到空气和金属界面, 在金属膜外侧界面处发生表面等离子体子共振。
bound electron free electron
表面等离子体波(SPW)
当金属受到电磁干扰的时，金属中的电子密度分布就会变得不均匀，这时 由于库仑引力作用，形成价电子相对于正电荷背景的起伏振荡。
• 表面等离子体激元plasmon——金属和电介质间界面上的等离子体振荡
当表面等离子体与光子耦合 时生成表面等离子体激元
– 荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型 – 光纤光栅－功能型
• 光纤光栅～反射镜 • 应用领域－通信、传感、信息处理
– 光通信器件 • 半导体激光器、光纤激光器 • 光纤放大器、滤波器 • 波分复用/解复用器 • 色散补偿 – 传感 – 光学信息补偿－光学Fourier变换、相位阵列天线
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•互补抗原(被分析物)与抗体结合→折射率nd变化→SPR谷移动（监测信号）
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SPR的优点
待测物无需标记 适用于混浊、不透明或者有色溶液 能实时、连续监测反应动态过程 检测方便、快捷 应用范围广
光声光谱气体检测技术
光声效应：物质吸收声频调制光后通过无辐射放热而激发 出声波的现象。 当气体吸收频率为ν的光子后 ,部分气体分子会从基态E0 跃迁到激发态E1 。处于激发态的分子与处于基态的同类分 子相碰撞,吸收的能量经无辐射弛豫过程转变为碰撞分子之 间的平移动能,即加热。
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引 言 研究生课程
波长(颜色)调制利用外界因素改变光纤中光的波长分布，通过检测 光谱分布测量被测参数。 引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化的物理量包括：荧光、 磷光、黑体辐射和吸收等－大多数为非功能型。
光纤传感器
第10讲:波长调制型光纤传感器
外界因素： 温度，压力，电 磁场，位移
主要区别：

终端反射式：传感单元在光纤端头，在金 在线传输式：传感单元在光纤中部，共振 单模光纤——共振吸收峰深而尖锐 多模光纤——共振吸收峰浅而宽 （存在模式耦合和偏振等损耗）
属反射膜反射前后，经过两次共振。


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共价连接法（生物素-亲和素、葡聚糖凝胶、水凝胶、高分子膜、多
肽等） 单分子复合膜法 分子印膜技术
x
由边界条件，折射波的表达式
n1>n2
n1
n2
2 1 2
n1 k1Hale Waihona Puke Baidu k12x
2
i2 n2 z k2
当SPP = kx,2强烈的耦合 相位匹配
SPP
能量匹配

n2
n1 k k sin i1 k1
2 2 1
n2
n1 sin i1
2 2
εd1
εm

sp,1
k x， 1= d1
光声光谱气体检测技术原理
光源周期性调制温度压力信号的周期性变化 • 如果气体密闭于光声腔中,激励光源受到谐振频率ω的调制,那么加热过程 将周期地变化。根据气体热力学定律,周期性的温度变化将产生同周期的
压力信号。
• 假设光声腔为圆柱形结构,光强度的调制频率等于光声腔的某一阶谐振频 率ωj,则光声信号振幅表达式可以表示为 • 气体的光声效应：强度周期性变化的激光光束入射到装有样品气体的密 封光声池中，根据分子光谱理论，每种气体有着自己特定的吸收波谱， 选择调制光源的波长从而使得特定气体产生较大吸收，通过非辐射弛豫 方式使吸收的光能转变为热 ,对外产生应力的周期性变化，即向外辐射 声波。 • 光声效应源自气体分子无辐射跃迁气体光声检测主要在红外波段进行 。 23
光纤SPR传感机理
组成结构：在纤芯的表面上镀一层金属膜，纤芯—金属—环境介质的三 层结构组成SPR测量的敏感器件——光纤SPR传感器。 共 振 匹 配 条 件
k z k spp kz k spp
: 光波的角频率；

c
core sin 0
core: 纤芯的介电常数； 0：入射角； m: 金膜的介电常数； s: 待测介质的介电常数
1. 什么是等离子体?
bound electron free electron 物质的状态: • 固体 • 液体 • 气体 • 等离子体 – 具有自由电荷 的热电离气体 温度
00C
B 2neff

应变测量
B K
温度测量
B KT T
电离
1000C
100000C
• 灵敏度：1 1pm • 测量范围：1％ • 频率响应：可达1MHz
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光谱的检测在光纤输出端。


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应用举例: 生物传感器
用于监测生物分子：蛋白，配位体，DNA，等。
• 其它信息，如：
SPR传感器的实际应用
SPR传感器可获取紧靠在金属薄膜表面介质层的光学常数, 从而进一步得到介质的 – 由膜厚估计成膜物质的结构排列； – 由介质的折射率、膜厚度、吸收系数计算吸附物质的质量, 进而求得相互作用 的生物大分子之间键的参数； • 主要用于生物科学和生命科学领域： – 抗原- 抗体反应测定：用于免疫分析，选择不同抗体用于治疗、检测、诊断。 – 蛋白质相互作用分析；
-光纤pH值传感器
-光纤磷光传感器 -光纤黑体温度计
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光纤Bragg光栅(FBG)
nc ncl – 优点： λB

光纤Bragg光栅(FBG)传感器
B 2neff eff B 2neff 2neff
弹性变形 • 对于各向同性圆柱体－ • 几点假设： 弹光效应

c
sin k x， 2 = d 2
sin
c
2 k1 sin 2 ic sin 2 i1 sin 2 ic sin 2 i1 1 当i1 ic，发生全内反射，k2 z为纯虚数，令k2 z i
2
1 棱镜 金属介质 Otto结构
kx,2 k2
εd2
sp,2
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金属包层平板介质波导
• • 用于集成光学器件，介质波导中沉积金属膜或在金属膜基底上沉积介质波导层 金属对光频有强力的衰减作用，电磁场仅在很薄的层内以衰减场形式存在；
等离子体表面波及存在的条件
• SPW存在条件： 1) SPW一定是TM波（ P偏振光）； 2) 只存在于两侧介电常数符号相反的分界面，在光频范围内，金属 和电介质的分界面存在SPW； 3) SPW传播常数：
B 2ncore eff
r , ,
横向应力
z
纵向应力
• 抗干扰能力强，稳定、可靠 • 传感头结构简单、体积小
– 光栅自身结构－纤芯+包层，忽略所有外包层的影响； – 石英光纤－理想弹性体，遵循胡克定律，且内部不存在切应变； – 紫外引起的光敏折射率变化在横截面上分布均匀，且不影响光 纤的各向同性特性；
• 灵敏度：1C 10pm • 测量范围：200 C
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光纤SPR传感器
固体、液体、气体通常温度过低，密度过大，导致没有等离子体存在。 等离子体:物质的第4种状态 不同于普通的中性气体: 与电磁场产生强的相互作用 金属性质:自由电子+离子 电离
SPR的缺点
难以区分非特异性吸附 对温度、样品组成等干扰因素敏感
当照射在样品上的入射光按波长扫描时，可得物质在不 同波长下的光声信号谱，光声信号谱可作为物质定性分析 的依据；固定波长得到的光声信号可作为定量分析的依据。
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• 测量重复性好
• 可实现绝对测量 • 便于规模生产、成网
– 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
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– 所有应力均为静应力，不考虑随时间变化
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波长调制机理
布喇格波长

光纤SPR(Surface plasmon resonance)传感器
SPPmetal-air SPPmetal-prism
kx,2 SPP
E2 E20 exp[i(k2 r t )] E20e z exp[i(k2 x x t )]
全反射情况下，入射波的能量是穿透介质2内一 定深度后逐渐反射的，到达空气和金属界面。
2 2 2 k2 x k2 k2 k2 2 k2 z
d2 d1
β
SPP
β or kx
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SPR传感的基本原理
SPR传感基本原理：当入射光的角度或波长满足某一特定值(谐振)时，入射光大 部分转换成SPW的能量，反射光能量突然下降，在反射谱上出现共振吸收峰，此 时入射光的角度或波长称为SPR的共振角或共振波长。通过准确测量此共振角或 共振波长的变化，即可得到金属薄膜表面侧物质的折射率变化。 共振角(波长)对金属侧面物质的折射率变化非常敏感，所以SPR传感器具有 很高的折射率测量灵敏度。