光纤倏逝波及其应用
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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（Snell’s law）定律：
sin i n2 sin t n1
对于
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斯涅耳定律表明， sin t 1
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，
＞
c
t 是一个折射虚角。 根据电磁场理论中的边界条件 ， 电场强度 E
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 带来了新的技术革命。 • 由于光纤倏逝与球形微腔、环形微腔回廊模间有很高的耦 合效率，为制作基于锥光纤光学微腔耦合的光通信用窄带 滤波器、光分插复用器、微腔激光器开辟了新的途径。在 现代高新技术领域中，光纤倏逝波的应用将有很好的前景
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:
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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50~70%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
• １、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。
.
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• 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。
光纤倏逝波生物传感器具有如下优点: 1) 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; 2) 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。
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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
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• 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
.
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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。
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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 .
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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（Snell’s law）定律：
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斯涅耳定律表明， sin t 1
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t 是一个折射虚角。 根据电磁场理论中的边界条件 ， 电场强度 E
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。
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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 带来了新的技术革命。 • 由于光纤倏逝与球形微腔、环形微腔回廊模间有很高的耦 合效率，为制作基于锥光纤光学微腔耦合的光通信用窄带 滤波器、光分插复用器、微腔激光器开辟了新的途径。在 现代高新技术领域中，光纤倏逝波的应用将有很好的前景
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:
Байду номын сангаас
Et E20 exp{ i[Kt r t ]}
n1 E E20 exp{ x} exp{ i[ K t sin i z t ]} n2
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50~70%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
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光纤倏逝波的应用
• １、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。
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• 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。
光纤倏逝波生物传感器具有如下优点: 1) 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; 2) 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。
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3、基于锥光纤与光学微腔耦合
的光通信器件
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锥光纤与微腔的耦合原理示意图
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• 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
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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。
n1 E E20 exp{ x} exp{ i[ K t sin i z t ]} n2
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 .