微结构光纤表面等离子体共振传感器研究

第26卷第1期

深圳大学学报理工版

Vol 126No 112009年1月

JOURN AL OF SHE NZHEN UN I V ERS IT Y S C IE NCE AND E NGI N EER I NG

Jan 12009

文章编号:100022618(2009)0120016204

【光学工程】

收稿日期:2008206223;修回日期:2008211212

基金项目国家自然科学基金资助项目(636);深圳市科技计划资助项目()作者简介闫培光(2),男(汉族),山东省潍坊市人,深圳大学副教授、博士2y @z 11通讯作者阮双琛(632),男

(汉族),深圳大学教授、博士生导师2@z 11微结构光纤表面等离子体共振传感器研究

闫培光1,邢凤飞2,阮双琛1,李乙钢2

(1.深圳市激光工程重点实验室,深圳大学电子科学与技术学院,深圳518060;2.南开大学物理科学学院,天津300071)

摘　要:采用有限元法模拟微结构光纤表面等离子体共振传感器.计算其共振波长和强度,为证实表

面等离子体共振的产生,对比不同位置处传导模的分布.环形大孔中液体样品的折射率提高后,共振波长向长波移动,且共振峰值强度增大.该微结构光纤表面等离子体传感器对折射率变化的灵敏度达到10-4

.

关键词:表面等离子体共振;微结构光纤;传感器;折射率;共振波长中图分类号:TP 212;T N 253;T N 136 文献标识码:A 光纤表面等离子体共振(surface 2pals mon 2reso 2nance,SPR )传感器在化学、生物、环境与医药等领域具有重要应用[1].光纤SPR 传感器在传感机理上主要有两类:①利用倏逝场效应

[2]

,通过腐蚀或

研磨掉包层后在纤芯表面镀金属膜,或在锥形光纤表面镀金属膜;②在纤芯内写入长周期光栅

[3]

,将

芯内的模式在某一特定波长转化成包层高阶模,使高阶模与等离子体实现相位匹配.这两种光纤SPR 传感器对测量样品折射率(n )的检测灵敏度能达到10-6

量级

[425]

,但第一类SPR 传感器利用锥形光纤,

封装困难;第二类SPR 传感器只有小部分传导光发生SPR 耦合,不利于传感器灵敏度的进一步提高.

新型微结构光纤[6]

(m icr ostructured 2op tical 2fi 2

ber,MOF)已应用于产生超连续谱[728]

和光纤激光

器

[9211]

.其独特结构为传感器设计提供了新思路,

MOF 预制棒制作灵活,可改变包层空气孔阵列控制传导光.2006年,Hassani A 指出,在SPR 传感[12]

方面MOF 主要有两个优点:①可在靠近纤芯的气孔内壁镀金属膜(如金膜和银膜),而不必像常规光纤那样腐蚀掉包层或拉很细的锥,从而使传感器设计不存在封装问题;②MOF 易于实现等离子体与传导模式的相位匹配.在纤芯内引入小气孔降低传

导模的有效折射率(n eff ),便于实现纤芯传导模与等离子体波的共振耦合.当微流体流经镀膜的包层

气孔时,其n 值的变化引起透射损耗峰的变化能够被实时检测.

对MOF 传感的理论研究有多极法

[13]

和边界积

分法[14]等.本文用有限元法对MO F 2SPR 传感器进行研究,模拟MOF 2SPR 共振波长(λR )和强度,对共振峰处SPR 现象进行讨论.研究表明,随着液体样品n 值的提高,MOF 2SPR 共振峰的中心波长向长波移动,且峰值强度随之改变.文中对MOF 2SPR 的灵敏度进行了探讨.

1　光纤参数

MOF 结构如图1.中间气孔直径d 1=115μm ,第一层气孔直径d 2=118μm ,气孔间距Λ=218

μm.其中,传导模主要限定在第一层气孔内,改变d 1可调节纤芯内传导模的n eff ,使传导模能够充分激发等离子体.应指出的是,尽管d 2/Λ>0145,但由于纤芯气孔的存在,光纤仍然保持单模条件.3个环形大孔是待测液体的通道,设液体的n =1133,环形大孔内侧壁镀金膜.3个环形孔MO F 的制作工艺相对成熟;其较大孔径便于液体在内部流动.环形大孔内径为1112μm ,外径大小不影响计算结果,光纤制作时可增大环形孔.

据Drude 关系式[12],金的介电常数εA u (

ω)=j z :0777*******:1977.E mail:anp g s u edu cn

:19.E m ai l :

scruan s u edu cn

h ttp://o urna l .s u.e du .cn

第1期闫培光,等:微结构光纤表面等离子体共振传感器研究17

　ε∞-ω2p /[ω(ω+i ωτ)].其中,ε∞

=9175;ωp =1136

×1016;ωτ=1145×1014

.根据Sell m eie r 方程可确定石英玻璃的n 值

.

图1　M O F 光纤结构图

F i g 11　Str uc tur e of M O F

2　计算结果与讨论

利用有限元软件C O MS OL312中电磁场模块进行求解,该软件便于求解复杂结构MOF,借助各向异性最佳匹配层(perfectly m atched layers,P ML )边界条件[15]

能计算光纤传导模的泄漏损耗L c .对文中镀金膜MOF,求解不同波长的L c ,在λR 处损耗最大.L c =81686I m (

β)[16],传播常数β=k 0n eff ,其中k 0为真空中波数,所以L c 与I m (n eff )成正比关系.定义相对泄漏损耗L rc =1×106

I m (n eff )表征光纤损耗特性.对镀有20nm 金膜的光纤模型L r c 进行计算,结果如图2,从中可见,在015307μm 处存在一个SPR 峰,此时L rc =15312,共振峰半高全宽度为12nm.

为验证SPR 的发生,对比计算峰边缘处与峰值处的模场分布,结果如图3.图3(a)为0152μm 处的模场,可见传导模的大部分能量被限制在纤芯之内.图3(b )为峰值的模场,部分能量在第一层气孔之外,因此L c 值极大.此时传导模激发金膜形成强烈的SPR,且等离子体的能量比波长为0152μm 时更加深入到待测液体中.

液体n 值发生变化,会影响SPR 峰的位置.图4为n 值分别为11330、11335和11340时相应的SPR 峰.图4中共振峰的变化有两个明显特征:①λR 值随n 值增大向长波移动.n =11335时,λR =15365μ;=13时,λR =155μ值从133增至13,λR 向长波移动1

文献图2　镀有20nm 金膜的光纤模型L rc

F i g 12　The L rc spectr a of M O F 2SPR sen sor

w ith a 20nm th i ckn ess of gold l a

yer

图3　不同波长时的模场分布图

F ig 13　The en er gy f l uxes of the cor e 2gu i ded m ode a nd

s ur fa ce p l a s m a wa ve a t the d i ffer en t w a ve len gth

[12]虽曾报道该现象,但未作具体分析.通常激

发金膜产生的SPR 模的n eff 随波长λ而变化,当λ>017μm 时,SPR 模的n ef f 值比传导模的小;当λ<017μm 时

[17]

,SPR 模的n eff 值突然增大,与传

导模的相等,交点即为相位匹配点.既然SPR 波的能量有一部分进入边界液体中,其n eff 值会随液体的增加而增大,因此它与传导模的相位匹配点出现在长波方向.②当液体n 值变化时,共振峰强度随之变化,n =11335时峰值为18519;n =11340时峰值为26717.计算n 值分别为11330、11335和11340时,光在液体中的部分能量和总能量的比值分别是1151%、2102%和3124%.由此可见,当液体n 值增大,光进入液体中的能量随之增大,于是在λR 处损耗更大.由于n 值变大后SPR 峰移向长波,考虑传导模的面积随波长增加而增大,共振时传导模能量易于从第一层小气孔里泄漏出通过

j z 0m n 140042m .n 10140118n

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