1、1毕业论文开题报告应用物理表面等离子体光纤器件的制备及其传感特性研究一、选题的背景与意义表面等离子体子共振是一种物理光学现象。1971年，克莱切曼研究的KRETSCHMANN结构为SPR传感器奠定了基础。SPR广泛应用于生物传感、薄膜探测、环境应用等，、SPR传感技术的灵明度可达到1NM厚度变化或者是001摄氏度的温度变化100106PPM内浓度变化等等。因此SPR技术在测试领域拥有巨大优势，故研究SPR光纤器件有一定价值。目前在光传导、光调制、光学传感和光学测量等领域发展出了很多新型器件。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1、制备实验用的器材，及在单模光纤上镀膜，可以是金纳米粒子也可以是银
2、纳米粒子。2、观测不同光强或者不同波长入射对表面等离子体共振所产生的影响，及其反应在光谱上的一些数据变化，进行探索，研究其基础特性与设计比较，并收集整理。3、进一步完善参数，与上一步的的研究结果相结合，进行光学传感，根据光谱探测溶液浓度变化。4、实验整理，得出结论，提出改进方案，完成论文。三、研究的方法与技术路线1根据麦克斯韦方程得出表面等离子体共振的一些方程理论。2根据理论参数制作光纤器件,进行实验测试观察光谱变化，对比理论结果。3选取合适的参数，进行光学传感检测溶液浓度。四、研究的总体安排与进度2010年12月学习SPR的基础知识，并通过收集推导理论公式，完成理论准备；2011年1月参考S
3、PR的论文，并且进行实验材料的制备，同时制做光纤器件,进行实验及数据采集；2010年2月修正数据并再次实验得到给为完善的数据结果，数据处理，归纳总2结,并从理论上解释数据意义价值；2010年3月到4月整理实验理论，数据，结论，最后完成论文。五、主要参考文献1DAVIDMONZONHERNANDEZ,JOELVILLATOROHIGHRESOLUTIONREFRACTIVEINDEXSENSINGBYMEANSOFAMULTIPLEPEAKSURFACEPLASMONRESONANCEOPTICALFIBERSENSOR,SENSORSANDACTUATORSB11520062272312ZXI
4、E,JTAO,YLU,KLIN,JYAN,PWANG,HMING（明海）,POLYMEROPTICALFIBERSERSSENSORWITHGOLDNANORODS，OPTCOMMUN,282，43944220093曾捷梁大开曾振武杜艳,反射式光纤表面等离子体波共振传感器特性研究,光学学报第27卷第3期2007年3月4曹振新，夏继江,光纤表面等离子体共振传感检测系统共振波长的红移,光子学报第37卷第10期2008年10月5张志伟,基于表面等离子体共振的光纤传感技术研究,山西电子技术2009年第3期6吴斌，王庆康基于金属表面等离子体的光学器件,半导体光电2006年10月第27卷第5期7闫培光,邢
5、凤飞,阮双琛,李乙钢,微结构光纤表面等离子体共振传感器研究,深圳大学学报理工版第26卷第1期2009年1月8JHOMOLA，PRESENTANDFUTUREOFSURFACEPLASMONRESONANCEBIOSENSORS，ANALBIOANALCHEM377,528839，20033毕业论文文献综述应用物理表面等离子体光纤器件的制备及其传感特性研究摘要研究一种基于表面等离子体光纤传感检测液体浓度的方法。本文阐述了表面等离子体光纤传感器的原理及在这方面的应用。主要回顾了表面等离子体共振研究的历史，即其应用领域。最后提出本人将要研究的方向。关键词光学传感SPR光纤一SPR技术与光纤传感表面等
6、离子体SURFACEPLASMONS，SP早在1950年RITCHIE的工作之后就被人们广泛认识。它们本质上是光子和导体中的自由电子相互作用而被表面俘获的光波，或者说是自由电子和光波电磁场由于共振频率相同而形成的一种集体振荡态。由于表面等离子体一般只出现在导体表面，因而金属表面等离子体是目前的主要研究对象。一般所说的SP就是指金属表面等离子体。SP与光波的相互作用是与SP本身紧密联系的，因此通过改变SP的特性一般都是靠改变金属表面一定的亚波长结构，可以进而改变其对光波的作用。基于这个原理，现在已经在光传导、光调制、光学传感和光学测量等领域发展出了很多新型器件。2O世纪60年代末出现了基于表面等
7、离子体共振SURFACEPLASMONRESONANCE，SPR技术的棱镜传感器。80年代已经被广泛用于生化、医学、环保等多个领域。90年代初出现了基于SPR技术的光纤传感器，同棱镜传感器相比，它体积小、响应快、成本低，可以实现在线实时检测，有着更大的研究前景和经济价值。（一）表面等离子体共振的原理表面等离子共振（SPR）是一种物理现象，当入射光以临界角入射到两种不同折射率的介质界面（比如玻璃表面的金或银镀层）时，可引起金属自由电子的共振，由于共振致使电子吸收了光能量，从而使反射光在一定角度内大大减弱。其中，使反射光在一定角度内完全消失的入射角称为SPR角。SPR随表面折射率的变化而变化，而折
8、射率的变化又和结合在金属表面的生物分子质量成正比。因此可以通过获取生物反应过程中SPR角的动态变化，得到生物分子之间相互作用的特异性信号。4（二）终端反射式SPR光纤传感器原理终端反射式SPR光纤传感器其构造方式是在光纤的一个端面上沉积一层较厚的金属膜，制成微反射镜。将此端一小段光纤的包层剥去，并沉积金属膜。在光线传输过程中，当满足一定条件时，将会产生SP共振。共振光传输至端面处沿来路被反射回去。光线经过第二次共振后，传输到光纤光谱仪进行检测。（三）表面等离子体光纤传感器的特点光纤传感器采用光纤作为光的传输媒质。由于光纤的特殊性,这种传感器具有其他结构的传感器所没有的特点它可以很方便地探测一些
9、人类难以进入或者有害的地方,可以通过光纤对敏感信号的传输,实现远程检测和分布式检测,而且也可以达到较高的灵敏度。光纤传感器一般是将普通光纤部分保护层剥离,将纤芯裸露出来,再在纤芯外包裹金属膜层及敏感层。检测时,将该部分与样液接触。由于使用多模光纤时,存在模间干扰,导模与SPR之间的相互作用在强度上的变化难以确定。所以,大多数情况下使用单模光纤,通过对单模光纤进行一些结构上的改进,可以制作出灵敏度、分辨率较高的SPR传感系统。（四）应用与展望SPR光纤传感器适用非常广泛，可应用于食品安全，疫苗研制，基因测序，兴奋剂检测，疾病诊断，案件侦破，蛋白质工程，疾病治疗，环境检测，药物开发，药物靶标SPR
10、光纤传感技术经过多年来的发展，已经成为生命科学和环境检测领域的一项重要研究工具，在适用的各个领域都有不俗的表现。随着SPR技术成为科研中一个不可缺少的部分，SPR光纤传感的应用将更加趋向多样化，在未来的生命科学与环境工程领域中，将扮演一个越来越重要的角色。二、观点与主张研究了一种基于表面等离子体波共振光谱分析的折射率检测新方法。研究发现,表面等离子体波共振效应光谱特征的折射率灵敏度会随着液体性质变化而发生改变。根据折射率测量范围不同,分别选择共振波长和共振强度作为检测参量。在理论分析和实验基础上,设计出一种基于共振光强检测的终端反射式光纤表面等离子体波共振效应传感系统,通过优化结构，实现测量结
11、果精确性参考文献51DAVIDMONZONHERNANDEZ,JOELVILLATOROHIGHRESOLUTIONREFRACTIVEINDEXSENSINGBYMEANSOFAMULTIPLEPEAKSURFACEPLASMONRESONANCEOPTICALFIBERSENSOR,SENSORSANDACTUATORSB11520062272312ZXIE,JTAO,YLU,KLIN,JYAN,PWANG,HMING（明海）,POLYMEROPTICALFIBERSERSSENSORWITHGOLDNANORODS，OPTCOMMUN,282，43944220093曾捷梁大开曾振武杜艳,
12、反射式光纤表面等离子体波共振传感器特性研究,光学学报第27卷第3期2007年3月4曹振新，夏继江,光纤表面等离子体共振传感检测系统共振波长的红移,光子学报第37卷第10期2008年10月5张志伟,基于表面等离子体共振的光纤传感技术研究,山西电子技术2009年第3期6吴斌，王庆康基于金属表面等离子体的光学器件,半导体光电2006年10月第27卷第5期7闫培光,邢凤飞,阮双琛,李乙钢,微结构光纤表面等离子体共振传感器研究,深圳大学学报理工版第26卷第1期2009年1月8JHOMOLA，PRESENTANDFUTUREOFSURFACEPLASMONRESONANCEBIOSENSORS，ANALB
13、IOANALCHEM377,528839，20036本科毕业设计（20届）表面等离子体光纤器件的制备及其传感特性研究摘要【摘要】表面等离子体共振技术是通过测量激光在金属介质介面上产生的表面等离子体波随外界介7质折射率的变化来表征物质性质的一种高新技术。本文根据对光纤SPR传感器的工作原理，通过理论模拟研究光纤SPR传感器系统在检测不同折射率环境介质中的传感特性，获得表面等离子体光纤器件制备的参数设计，对于扩充该类器件的应用领域有一定参考价值。【关键词】表面等离子体共振；光纤传感器；折射率反射强度ABSTRACT【ABSTRACT】SURFACEPLASMONRESONANCETECHNOLOG
14、YISAHIGHTECHMEASUREDBYTHELASERMEDIUMINTERFACEINMETALSURFACEPLASMAWAVESGENERATEDBYREFRACTIVEINDEXCHANGESWITHTHEOUTSIDEWORLDTOCHARACTERIZETHENATUREOFMATERIALBASEDONTHEPRINCIPLEOFOPTICALFIBERSPRSENSOR,THETHEORETICALSIMULATIONOFOPTICALFIBERSPRSENSORSYSTEMINTHEDETECTIONOFENVIRONMENTALMEDIAOFDIFFERENTREFR
15、ACTIVEINDEXSENSINGCHARACTERISTICS,WEOBTAINTHEPARAMETERSOFSURFACEPLASMONOPTICALDEVICEFABRICATIONANDMAKEACERTAINREFERENCEVALUEOFTHEDESIGNFORTHEEXPANSIONOFAPPLICATIONSOFSUCHDEVICES【KEYWORDS】SURFACEPLASMONRESONANCEFIBEROPTICSENSORINDEXREFLECTIONINTENSITY8目录摘要6ABSTRACT7目录81引言1011研究背景1012表面等离子体共振10121等离子体
16、与表面等离子体10122表面等离子体共振1013光纤传感11131光纤传感技术11132光纤传感器分类与工作原理1114表面等离子体光纤传感器12141简介12142研究意义12143发展现状132表面等离子体传感原理1321等离子体共振原理13211消逝波13212等离子波14213表面等离子体共振理论模型14214表面等离子体的色散15215共振理论1722表面等离子体共振光纤传感原理17221表面等离子共振光纤传感18222表面等离子体共振的光调制方式18223表面等离子传感器灵敏度的影响因素193实验1931SPR光纤传感器19311终端反射式19312在线传输式2032SPR光纤传感
17、器的制作20321终端反射式20322在线传输式20323镀膜工艺2133实验数据模拟与分析21331金属材料的选择与膜厚度22332入射光波波长对于共振的影响23333入射角度对于共振的影响24334不同待测介质的SPR曲线244结论与展望2641总结26942展望26参考文献28致谢错误未定义书签。附录错误未定义书签。101引言11研究背景20世纪初,WOOD通过用连续光谱的偏振光照射金属光栅时首次发现了反常的衍射现象,，并第一次对这种现象作了公开描述1。1941年,FANO用金属与空气界面的表面电磁波激发模型对这一现象给出了解释2，随后，有人提出了体积等离子体子的概念，认为这是在金属中体
18、积电子密度的一种纵向波动。1957年，RITCHIE发现,当电子穿过金属薄片时存在一定数量损失峰。他将这种损失峰称之为“能量降低的”等离子体模式,并指出了这种模式与薄膜边界的关系,第一次提出了用于描述金属内部电子密度纵向波动的“金属等离子体”的概念3。1959年,POWELL和SWAN通过实验证实了RITCHIE理论的正确性4。1960年，STERN和FARRELL研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离子体子（SP）的概念5。表面等离子体子是指在金属表面电子的疏密波，它沿着金属和介质的界面传播6。1968年,OTTO7利用衰减全反射ATTENUATEDTOTALREFLECTION,
19、ATR的方法证实了光激发表面等离子共振现象的存在，OTTO据此给出SPR激发条件并设计了以棱镜为基体的OTTO模型。20世纪70年代末以来,SPR在检测金属薄膜特性及实时检测金属表面反应的潜能越来越受到重视。德国的一位物理学者KRETSCHMANN提出一种新的粗糙表面扰动理论，设计了一种新的与OTTO模型等价的模型即KRETSCHMANN模型8，改模型为SPR传感器奠定了基础。1982年,NYLANDER第一次将SPR原理应用于气体检测和生物传感领域中9。1983年LIEDBERG将SPR原理应用于IGG与其抗原的反应测定10。1987年，KNOLL等人开始SPR成像研究。1990年BIACO
20、REAB公司开始开发出首台商品化的SPR仪。此后,SPR传感技术取得了长足的进展,各种应用于物理、化学和生物领域的新的SPR传感结构纷纷出现。12表面等离子体共振121等离子体与表面等离子体等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体。表面等离子体是是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。122表面等离子体共振11表面等离子体共振（SURFACEPLASMONRESONANCE,SPR）,又称表面等离子共振
21、，表面等离激元共振，是一种物理光学现象。利用光在界面处发生全反射时的消失波，可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子体。当发生共振时，入射光被吸收，使反射光能量迅速下降，在光谱上出现共振峰。根据金属表面的折射率不同（如液体环境等），共振峰位置会改变。13光纤传感131光纤传感技术光纤是20世纪70年代作为光通信发展的一种新型材料，主要用石英制成玻璃棒拉制成玻璃纤维，称为玻璃光纤。光纤本身不带电，传光能力强，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，带宽范围宽，能在易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。光纤传感技术是以光波为载体，光纤为媒质，利用外界因素是光在光纤中传播
22、的光参数发生变化，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术，目前具有广泛的应用。它与传统传感器相比具有无电流、易移动、尺寸小、易安装、灵敏度高、可以远距离测量等优势。132光纤传感器分类与工作原理根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光相位调制、光偏振调制、光波长调制和光频率调制等五种类型。光强调制是光纤传感技术中相对比较简单，用得最广泛的一种调制方法。其基本原理是利用外界信号的改变光纤中光的强度，通过测量输出光强的变化实现对外界信号的测量。光强调制的光纤传感器主要有透射、反射和微弯曲型三种。光相位调制，是指外界信号按照一定的规律改变光纤中传播的光波的相
23、位，通过光相位的变化反映被测外界量。光纤中光波的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。压力、张力、温度会改变上诉三个波导参数。目前的探测器都不能直接感知光波的相位变化，基本采用光的干涉技术，把光的相位变化转变成光强度的变化，与其他光纤传感技术相比具有高的灵敏度。其中有四种应用非常广泛的干涉仪马赫泽德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、法布里玻罗干涉仪和赛格纳克干涉仪。偏振调制，是指外界信号通过旋转检偏器等方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转或产生双折射，从而导致光的偏振特性变化，通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量。外界信号通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测
24、量波长变化即可检测到12被测量，这类调制方式称为光波长调制。目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。其中光位移光纤传感器是比较典型的光波长调制型光纤传感器，广泛的应用在工业、军事和医疗领域。他具有两大优势可实现非接触高精度传感；有可能与光传感器组成复合结构。光频率调制，是指外界信号对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移可以反映被测量。目前使用较多的调制方法为多普勒法，即外界信号通过多普勒效应对接收光纤中的光波频率实施调制。14表面等离子体光纤传感器141简介光纤表面等离子体传感器是一种将低能耗的光纤传感技术与表面等离子体共振效应结合起来的一种新型光纤传感器。它能够对传感器表面待测介质的
25、微小变化作出灵敏的反应。与传统的棱镜SPR传感器相比，光纤型SPR传感器具有传感部分体积小，抗电磁干扰能力强，测量机构简单，适合远程遥测场合和分布式检测以及SPR信号不易受到机械结构、光源波动等外界因素影响的优点，受到了人们的广泛关注。1993年美国华盛顿大学RCJORGENSON和YEE提出将光纤纤芯作为激发SPR效应的载体，把金覆盖在纤芯表面研制了表面等离子体波光纤传感器。随后，TROUILLET等采用银膜，获得更为尖锐的SPR光谱。142研究意义目前，许多SPR光纤传感器，广泛的应用于生物，化学，医药，环境检测相关的众多领域。与传统的检测手段相比，具有无须对样品进行标记、实时动态检测，灵
26、敏度高，无背景干扰，适用于浑浊、不透明或者有色溶液，检测方便、快捷，应用范围广等特点。SPR光纤传感器在物理学的应用由于某种物理量会引起特定敏感模折射率的变化，就可以采用SPR传感技术进行测量。例如，温度的变化，导致敏感膜膨胀或者收缩，是厚度发生变化，导致折射率的改变，从而利用SPR光纤传感进行检测。SPR光纤传感器在化学中的应用溶液中待测分子与敏感膜有选择的化学吸附，或者发生化学反应，从而引起敏感膜光学属性的改变，造成表面等离子共振条件的改变，光谱上的直观显示为共振峰位置的改变。通过次方法可以检测溶液的分子组成，浓度等。SPR光纤传感器在生物学中的应用它可以测定分子间相互作用的动力学常数检测
27、样13品中生物分子的浓度，分析配体和小分子的筛选以及单克隆抗体识别抗原结合位点的研究。能便捷的监测DNA与蛋白质之间、蛋白质分子之间以及药物蛋白质、核酸核酸、抗原抗体、受体配体等等生物分子之间的相互作用。143发展现状SPR分析技术在美、英、日等发达国家都进行了大量的研究和应用。1990年，瑞典PHANNACIA公司BIACOREAB首台SPR商品化仪器开发成功，使得SPR技术有了真正意义上的实用价值。瑞典、美国、英国都有商品化的SPR生化分析仪进入市场,美国的TEXASINSTUMENTSTI,AFFINITYSENORS,日本的NIPPONLASERECLETRONICS,德国的BIOTU
28、LAG。其中瑞典PHARMACIA公司的BIACORE系列产品在国际上独占鳌头；近年来也进入了中国市场，但其价格昂贵。国内关于SPR传感器的研究工作起步较晚，处于起步阶段，可搜索到的相关文献不多。中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室是国内最早开展研究SPR生化分析仪的单位，早在1990年，就开展了SPR课题，于1992年研制了手动、立式SPR生化样机。1994年研制出自控、卧式SPR雏形样机。近年来已经就SPR用于液体折射率、溶液分子构成、特定分子含量等检测方面展开了大量的研究，并在利用SPR效应检测生物分子方面进行了有益的尝试，并取得了一定的成果，发明了为数不少的商品化的SPR仪器。
29、与外国相比，别是在SPR传感部位的加工工艺、不同环境下传感特性研究等方面和国外存在很大差距。2表面等离子体传感原理21表面等离子体共振原理表面等离子体共振（SPR）技术是一种简单、直接的传感技术。它通过测量金属表面附近环境介质折射率的变化来研究物质的性质。211消逝波按照光线的传播理论，当光束从光密介质中以角1入射到两个透明介质的界面时，光线在界面处的传播状况如图21A所示。从图中可看到，部分入射光线传播到上面的光疏介质中去，而另一部分入射光线则发生反射。折射角2满足菲涅尔定理2211SINSINNN，如图21（B）所示，当光冲光密介质入射到光疏介质时，令290，根据菲涅尔定理，当121ARC
30、SINNN时，就会有全反射现象。在界面处，沿X轴方向传播振幅衰减的一个波，就是消逝波。全反射的波从光密介质进入光疏约一个波长的深度，沿界面传播半个波长的距14离后回返回光密介质，光的总能量没有变化。图21光在界面的传播212等离子波等离子体通常是指由密度相当高的自由正负电荷组成的气体，其中正负带电粒子的数目几乎相等。金属表面等离子波表面等离子体波是在金属表面，沿着两种介质分界面传播的一种电磁波213表面等离子体共振理论模型图22两种介电介质之间的单层吸收膜两种介质之间的平行平面单层吸收模结构如图2所示11。令2222222COS1IVUNIKNN，式中U2和V2为实量。U2和V2可以用入射角1
31、和表征第1和第2介质的光学性质的常数表示出来。假设入射波得光矢量平行于入射面，各介质是非磁性的，在这种情况下，在第12界面上有11COS21COS212211222222222112222222121212IVUNKINKNIVUNKINKNERI式中221122222112222221122222112222212COS2COS1COS2COS1VNKNUNKNVNKNUNKN15COS112COS2TAN222221122224222222122112VUNKNVKUKNN同样，在第23界面上有11COS21COS212233222222222332222222232323IVUNKINK
32、NIVUNKINKNERI223322222332222223322222332222223COS2COS1COS2COS1VNKNUNKNVNKNUNKNCOS112COS2TAN222223322224222222122323VUNKNVKUKNN由此可以推出透明基片上的单层吸收膜的反射系数公式为2223122223122231222232121UIVUIVIIEEEEEERR式中，0/2H，0为光在真空中的速度。214表面等离子体的色散理论形成表面等离子波体共振的必要条件之一是金属与介质界面的存在。在金属表面，电子的横向（垂直于表面）运动受到表面的阻挡，因此在表面上形成了电子浓度的梯度分
33、布，并由此形成局限于表面上的等离子体振荡，也可称为表面等离子体波12。图23半无限金属和电介质界面首先分析半无限金属（如图23所示，在Z0界面的下面，厚度无限的金属）与介质的界面，其电场可表示为EXP0WTZKXKIEEZX（21）式中W为角频率，XK和ZK分别为波矢在X和Z方向的分量，其中PXK/2。P为等离子体子的波长。ZK为虚数，表明电场沿Z轴方向按指数ZKZE衰减，ZK前的正负号分别表示Z0和Z0，21，而一般金属均可满足这一条件，XK决定了SPW的振动频率，XK相当于SPW波得阻尼因子，导致SPW波在严X轴方向传播过程中，振幅呈负指数规律衰减。17图24非辐射表面等离子体波的色散曲线
34、所有表面等离子体子的色散曲线均处于光波色散直线的右侧（图24），这也是称其为非辐射型模式的原因。若色散曲线处于光波色散直线的左侧，则可通过调节光的入射角或光的传播介质使光波的KX和表面等离子体子的KX相等，这时二者将会产生能量耦合，达到共振。而表面等离子体子的色散曲线处于光波色散直线的右侧，曲线与直线没有相交点，即二者的KX无相等点，所以，表面等离子体子不可能与外面的光波发生耦合，被封闭在薄膜界面。为了使内部与外部的光波耦合，必须采用适当的方法，改变表面等离子体子色散曲线与光波色散直线的相对位置，使表面等离子体子的色散曲线向左移动或使光波色散直线向右移动，使二者有相交点，即二者有共同的频率和波
35、数KX，从而可产生共振。其中2F，KX2/X，一个与频率（即时间）有关，一个与波长（即距离）有关，两个波要共振，这二者必须同时相等，并且，只有共振，表面等离子体子才能形成辐射态，即转变为光，反过来，光才能转变成表面等离子体子的能量。215共振理论等离子体通常是指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体,其中正、负带电粒子数目几乎相等,内部不形成空间电荷。如果把金属的价电子看成是均匀正电荷背景中运动的电子气体,这实际上也是一种等离子体。当金属受到电磁干扰时,金属中电子密度分布就会变得不均匀。设想在某一区域电子密度低于平均密度,这样便形成局部的正电荷过剩。这时,由于库仑引力作用,会把近邻的电子吸引到
36、该区域,而被吸引的电子由于获得附加的动量,又会使该区域聚集过多的负电荷。然后,由于电子间的排斥作用,使电子再度离开该区域,从而形成价电子相对于正电荷背景的密度起伏振荡。由于库仑力的长程作用,这种局部的电子密度振荡将形成整个电子系统的纵向集体振荡,并以密度起伏波的形式表现出来。可知,金属中价电子相对于正离子背景的这种振荡与导电气体中的等离子振荡相似,故称为金属中的等离子振荡13。表面等离子振荡也是如此,但由于介质分界面具有一定的特殊性。从而使得表面等离子的振荡具有其特有的本征模式。表面等离子共振可以存在于两种介质如金属与电介质的分界面处,同时可以沿着分界面传播,从而形成表面等离子波SURFACE
37、PLASMONWAVE,SPW。表面等离子波是一种偏振的横磁波TRANSVERSEMAGNETIC,TM,它的磁场矢量垂直于SPW的传播方向,平行于两种介质的分界面,而且SPW的场矢量在介质分界面达到最大值,并在两种介质中呈指数快速衰减。当外加电磁场与SPW的波矢相等时,就会出现SPR现象。22表面等离子体共振光纤传感原理18221表面等离子共振光纤传感图25光纤表面等离子体波共振传感器结构图光纤表面等离子体波共振传感器结构如图4所示。当纤芯中传播的P偏振光信号到达金属表面等离子体波共振效应敏感部位时,将会在金属模表面发生全反射，由于金属膜的厚度（50NM）小于消逝波的深度（一个波长），在金属
38、与外部环境的交界处，消逝波仍起作用，其在X轴的分量KXSIN0CW式中W是入射光的角频率，0是光纤的介电常数，是入射角度，C是光速。在交界面处，金属表面的自由电子气体被激发，产生振荡电荷，从而形成表面等离子波振荡KSP/2121CW式中1为金属的介电常数，2为外部环境的介电常数。当KX和KSP相等时，金属表面的等离子波将与消逝波发生耦合，产生表面等离子体共振，反正光强度急剧下降，达到最小。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使得反射光的能量急剧减少。在实际测量中，往往利用金属膜表面样品折射率还代替它的介电常数，以入射光的波长代替角频率。222表面等离子体共振的光调
39、制方式从光调制的角度来看，SPR传感器的检测方式可分为强度调制、角度调制、波长调制和相位调制。（1）强度调制固定入射波长及入射角度共振角附近，检测反射光强随外界折射率的变化。其特点是结构简单，可以避免测量时角度机械引入的误差，缺点是对光源要求比较高，需要提供稳定的波长。14（2）角度调制；固定入射光波长，通过扫描入射角度，追踪共振角反射强度的最小值19随外界折射率的变化。其缺点是采用此种方法需要复杂的转动平台，系统转动的稳定性会对检测的灵敏度和和信噪比产生影响。（3）波长调制固定入射角度，以宽带光源入射，探测反射光谱的变化，得出共振波长随折射率变化的关系。此种方式同样不需要转动装置，有利于系统
40、稳定性的提高，但是在探测端通常需要用光谱仪作为接收装置，增加系统成本。此种方法常用于基于光纤的SPR传感器。（4）相位调制固定入射光波长和角度，产生共振时TM波反射光与入射光的相位差随外界折射率变化非常敏感，而TE波由于不能够激励SPS，因此反射前后相位差随介质折射率变化不敏感，可以通过比较两者的相位差关系，测量外界折射率的变化。理论和实验研究表明，与其他调制方式相比，相位调制方式可以使SPR传感器灵敏度提高12个数量级。15223表面等离子传感器灵敏度的影响因素表面等离子传感器研究中灵敏度的表达式是被测物折射率变化所对应的共振信号（共振角度、共振波长）的变化。在现实应用中，我们通过实验数据作
41、图来表示他们的关系。理论分析时，可以通过理论公式，分析表面等离子传感器灵敏度的影响因素。对于改变角度的表面等离子传感器，他的灵敏度主要与光纤本身、金属膜和波长有关。通常在长波段灵敏度较高。SPR光谱的性质可以用三个基本的特征参数描述，即共振角度（或共振波长）、共振半峰宽度和共振深度（共振峰的高度，即最小光强反射率）。这三个特征参数则取决于金属膜及其表面介质的光学参数薄膜厚度D、折射率N和吸收系数K。金属薄膜的折射率N是影响共振半峰宽度和共振深度的主要因素，随着薄膜折射率的增加，共振半峰宽增大，深度减小；当膜厚度超过一定值时，共振峰将消失；当膜厚在某一数值时，反射光强度近似为零，共振深度最大。一
42、般在50NM左右时，共振深度达最大。事实上，N，K和D这三个参数是相互制约的，彼此并不独立。当厚度D增加时，折射率N随之增大，而吸收系数K则变小。所以常把膜厚度作为首要考虑因素。3实验31SPR光纤传感器311终端反射式由图31所示的光纤SPR传感器结构可知，当一束宽带光耦合进行光纤后，将会发生色20散形成若干以不同全反射角传播的单色P光。光线在纤芯和包层的界面上发生全内反射，在到达SPR传感区域时，由于金属本身的复介电性，导致该入射光在到达纤芯和金属膜界面后将部分能量渗透进金属内部形成倏逝波。当倏逝波的水平波矢与金属膜表面的等离子体波的波矢相匹配时，电子吸收了这一频率光子的能量，产生了等离子
43、体波共振效应，从而导致反射光强在这一时刻达到最小，形成SPR效应。共振光传输至端面处沿来路被反射回去。光线经过第二次共振后，传输到光谱仪进行检测。图31终端反射式312在线传输式宽带光源提供的光波信号进入光纤中传播。光波信号在传播到位于流通槽中的SPR传感段时，将会与待测量液体发生作用，产生SPR效应。随着待测液体介质折射率的不同，输出的SPR光谱亦发生改变。其结构如图32图32在线传输式32SPR光纤传感器的制作321终端反射式终端反射式SPR光纤传感器的制作方法如下1、在光纤的一端沉积一层厚300NM的金属膜，作为全反射镜。2、在反射镜的那端，通过化学腐蚀等方法，剥去一段5NM光纤包层，并
44、通过离子溅射法镀上50NM的一层金属膜。322在线传输式在线传输式SPR光纤传感器的制作方式如下在光纤中间去掉一段包层，在裸露的纤21心上沉积一层高反射率的金属膜。323镀膜工艺1通过化学腐蚀和机械剥离相结合的方法出去光纤传感部分的包层和涂覆层。传感部分的长度约10MM。接着用酒精和去离子水先后清洗光纤中包层被剥除的部分，待吹干后放入镀膜室中。图33光纤SPR传感部分镀膜2为了使得传感器膜层和纤芯有更好的粘附性，可采用两层镀膜。3采用真空热蒸镀的方法进行镀膜。其原理是在真空中加热金属靶材，当它达到一定温度且蒸汽压强达到或超过周围气压时，被加热的金属原子从本体逸出形成蒸汽，向四周以直线的形式辐射
45、，如果在一定的位置上放好元件，蒸汽分子撞击待镀元件表面，并在表面凝聚形成所需要的薄膜。我们在实验中，靶材选择银靶，纯度为9999999，镀膜机的工作条件是常温镀膜，真空度为103PA。由于光纤为柱状结构，要想在纤芯周围均匀沉积上金属薄膜，必须使光纤传感部分在真空室内匀速转动，为此我们设置了如图33所示的自传装置。利用蒸镀室内原有的公转转台带动固定光纤的夹具自转，实现环绕光纤的均匀镀膜。镀膜过程，先在光纤传感部分蒸镀40NM厚的银膜，通常情况下还需要覆盖一层10NM厚的氟化镁MGFZ介质膜，以保护银膜不被氧化。33实验数据模拟与分析图35光纤SPR传感器图36三层介质结构22如图35，P光以入射
46、角耦合射入光纤,经过一次折射，在光纤纤芯与包层界面成入射角。0、1、2分别表示光纤纤芯、金属镀层、环境介质的介电常数。再对图35中的光纤SPR传感器进一步简化,如图36。假定入射光沿着某一个子午面传播,在纤芯与金属层的界面以入射角入射,并且在整个纤芯内部只发生一次全反射。利用FRESNEL公式,显然,很容易写出反射系数2EXP12EXP1120111201DIKRRDIKRRRZPPZPPP其中ZZZZPKKKKR1100110001ZZZZPKKKKR2211221112SIN200XK200202XZKK201212XZKK202222XZKKRP为双层界面的P光总反射率,RP01和RP1
47、2分别为光纤纤芯与金属界面的反射率和金属与环境介质的反射率,D为金属层的厚度,0、1、2分别为光纤线芯、金属、环境介质的介电常数,IJKI1,2,3,JX,Z为各介质当中的光波波矢分量,C为光速,为光波角频率。16331金属材料的选择与膜厚度选择不同的金属材料作为SPR光纤传感器的传感膜，对光谱影响很大。SPR光谱研究的是反射光谱，所以我们需要选择高反射率的金属如AG、AU、CU、AL、BE等。银膜和铝膜稳定性差，容易氧化，影响SPR的测定。金膜的稳定性相对来说最好，但是在光谱仪的普线中银膜的半高宽小于金膜，而且灵敏度优于金膜，所以金膜和银膜通常是SPR最常用两种金属膜。实验金属膜厚度50NM
48、，外界环境的折射率为133，光源为4001000NM的带宽光源，传感光纤折射率为146的单模光纤，入射角为73度。通过数值模拟，从图37可以发现，银膜比金膜具有更窄的共振峰。通过此实验可以说明用银作为金属膜，能使光纤传感器具有更高的灵敏度。通常情况下，我们理论分析和实验时，选择银作为金属膜材料。23图37金银膜材料的SPR光谱在金属待测物得界面处，光的传播会有损耗，其中包括由金属膜本征吸收引起的焦耳损耗和金属膜表面粗糙程度引起的散射损耗。本实验假设金属膜表面是光滑的，不考虑散射损耗。通过观察膜厚度对谱线形状的影响。实验模拟在入射波长为6328NM，光纤折射率为146，外界环境的折射率为133，
49、在不同厚度下的SPR共振曲线膜厚度分别为30、40、50、60、70NM，通过改变入射角度观察谱线图。010203040506070809000102030405060708091入射角反射率D30NMD40NMD50NMD60NMD70NM图38从图38中可以发现SPR的曲线随着膜厚度的增大而变尖，能产生共振的角范围越来越小。在膜厚度小于50NM时，共振角向较大入射角的方向偏移，当膜厚度大于等于50NM时，共振角几乎不变。通过对图的观察，不难看出在膜厚度为50NM的时候，反射强度接近0。因此，通常制作的表面等离子体光纤传感器的镀膜厚度在50NM左右。332入射光波波长对于共振的影响24实验固定膜厚度为50NM，入射角度为725，光纤的纤芯折射率为146，外界环境的折射率为133金属膜的介电常数受波长影响成，成FR。0405060708
