光纤表面等离子体共振传感器理论研究[新版].ppt

光速， core 为纤芯的介电常数， 0
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
一种沿Z方向传播并且幅度沿Z方向衰
减的电磁波，被称为表面等离子体波， 其波矢为
kspw Re[ c
ms ] m s
其中，m 为金膜的介电常数， s 为待测 介质的介电常数。
图1 光纤SPR传感原理三层结构示意图
❖ 1968年，Kretschmann和Reather提出了基于衰减全内反射棱镜耦合方 式激发SPR，促进了表面等离子体共振传感技术的长足发展。2004年， Axela Biosensor公司推出了基于Kretschmann棱镜结构型SPR光谱仪， 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 Kretschmann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 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 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。
图3 金膜表面吸附不同介电常数介质、光波波长由 200~1000nm之间变化时产生SPR现象的仿真光谱图
演示课件
仿真结果与讨论
❖ 图4示出了波长范围在 200~1000nm的光波以不同 入射角入射到纤芯与金膜表 面处产生表面等离子体共振 现象的仿真光谱图。从图中 可以清楚地看出，当入射角 以0.5度的步长由43度逐渐增 加到44.5度发生SPR现象时， 共振波长逐渐向长波长方向 移动，即发生红移现象。从 图4可以看出，随着入射角的 增大，共振吸收峰半峰宽逐 渐增大，反射率最小值逐渐 变小，表明光纤SPR对入射 角非常敏感，随入射角的增 大，传感灵敏度降低。
r rcorem rms exp(2ikzmd ) 1 r r corem ms exp(2ikzmd )
其中：
rms
skzm skzm
mkzs mkzs
rcorem
km zcore km zcore
corekzm corekzm
kzcore
core
(
2
)2
kz2
kzm
演示课件
光纤SPR传感的基本原理
❖ 光纤SPR传感的基本原理实质仍为基于 纤芯-金膜-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，
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，
这部分光波被称作倏逝波。其波矢量界
面上的分量为
其kz 中c，
core sin0
为光波的角频率，c为真空中的
演示课件
光纤SPR传感的基本原理
❖ 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kz =kspw 即当入射光波矢沿Z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 能量被SPW波大幅度吸收，导致反射光强急剧降低。对于纤芯-金膜-环境介质三层结 构，反射光的强度可由Snell公式来确定，即反射系数r可表示为
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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
目录
表面等离子体共振（SPR）传感技术简介 光纤SPR传感的基本原理 仿真结果与讨论 结论
参考文献
演示课件
SPR传感技术简介
❖ 表面等离子体共振（surface plasmon resonance, SPR)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、 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。SPR 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 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 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， 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。
m
(
2
)2
kz2
kzs
s
(2 Biblioteka )2kz2
kz
core
(
2
)
sin
0
式中 、 、 core m s 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，ri j（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0 值，则反射系数r仅为波 长的函数。
演示课件
仿真结果与讨论
❖ 假定光纤SPR传感探头的结构参数列于表1。根据光纤SPR传感器反射系 数式，利用Matlab对其进行理论仿真模拟。图2示出了不同厚度金膜在波 长为200~1000nm范围内光波激励下产生SPR现象的仿真光谱图。从图 中可以清晰地看出，当金膜厚度由45nm逐渐增加到70nm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 发生了红移现象。
图4 波长范围在200~1000nm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
演示课件
结论
1
2
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
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
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200~1000nm 范围内的仿真反射光谱
演示课件
仿真结果与讨论
❖ 图3为金膜表面吸附不同介电 常数的介质，光波波长在 200~1000nm之间变化时产 生SPR现象的仿真光谱图。 从图中可以清楚地看出，当 介质介电常数由1以很小的变 化量逐渐增大到1.003时，光 纤表面等离子体共振现象对 应的共振波长逐渐向短波长 方向移动，即发生蓝移现象。 上述仿真结果表明，介电常 数的微小变化能够引起表面 等离子体共振现象共振波长 的较大幅度移动，表明表面 等离子体共振对介质介电常 数的变化非常敏感。