基于Au－Ag复合膜的光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究＊

刘 超，张 坤，孙 祺，牟海维

（东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318）

引 言

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（介电常数）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［1－5］。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者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。

1968年，Kretschmann和Reather［6］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。目前，SPR传感器主要分为Kretschmann型棱镜角度调制型和光纤波长调制型两类［7，8］。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进行远程传感等缺点［9－14］。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。已有研究表明，SPR传感特性显著依赖于金属薄膜厚度和金属材质［12］。通常，金（Au）膜因其具有良好的抗腐蚀能力而被用作SPR传感元件，但其传感灵敏度低于银（Ag）膜。探索两种薄膜的结合方式，以提高光纤SPR传感器的灵敏度和抗腐蚀能力具有重要的实际意义。为此，文中利用TFCalc国际薄膜设计软件对基于Au－Ag复合膜光纤SPR传感器的传感特性进行系统研究，深入阐述薄膜厚度对光纤SPR光谱特性的影响规律。

1 光纤SPR传感的基本原理

光纤SPR传感的基本原理实质为基于纤芯－金膜－环境介质三层结构全内反射光学现象，其传感原理三层结构示意图如图1所示。当光束以某一入射角入射到纤芯与金膜的界面发生全内反射时，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：

图1 光纤SPR传感原理三层结构示意图Fig.1 Schematic illustrations for the sensing principle of optical fiber sensor based on SPR with three layers

式（1）中，ω为光波的角频率，c为真空中的光速，εcore为纤芯的介电常数，θ0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（surface plasmon wave），其波矢为

式（2）中，ωm为金膜的介电常数，εs为待测介质的介电常数。

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。

2 仿真结果与讨论

假定光纤SPR传感器的纤芯介电常数εcore、金属Ag膜的介电常数εm、待测介质的介电常数εs分别为2.2942、－16.72＋1.66i和1，白光光源以入射角45°入射到纤芯与Ag膜界面。不同厚度的Ag膜在波长为400～650nm之间光波的激励下产生光纤SPR现象的仿真光谱图如图2所示。从图中可以清楚地看出，表面等离子体共振吸收峰显著依赖于Ag膜厚度，当Ag膜厚度由40nm逐渐增加到80nm时，共振吸收峰的半峰全宽逐渐减小，吸收峰锐化程度增强，这有助于准确确定共振波长的位置，对于提高传感器测试的准确度是很重要的。

图3示出了图2所示不同厚度Ag膜的共振波长与反射率之间的关系曲线。从图中可以看出，当Ag膜厚度由40nm逐渐增大到80nm时，表面等离子体共振吸收峰对应的反射率先减小后增大，SPR光谱反射率均低于40%，其中由以60nm厚Ag膜的共振现象最为明显。由图3还可看出，随着Ag膜厚度的增大，各薄膜SPR光谱相应的共振波长逐渐减小，但共振波长变化范围较小，仅为7nm左右。

图2 不同厚度Ag膜光纤SPR传感器的仿真光谱图Fig.2 Simulated spectra of optical fiber SPR sensors based on silver thin films with different thickness

图3 不同厚度Ag膜的共振波长与反射率关系曲线Fig.3 Resonance wavelength versus reflectivity curves of the silver thin films with various film thickness

因Au膜抗氧化能力强，考虑将其镀于Ag膜表面进行保护，以克服Ag膜易被氧化的问题。图4所示为不同厚度的Au－Ag复合膜在波长为400～650nm之间光波的激励下产生SPR现象的仿真光谱图。从图中可以看出，不同厚度Au－Ag复合膜的SPR共振波长随着Au膜厚度的增大而增大，即发生红移现象。从图中还看看出，Au膜的引入对共振吸收峰反射率的影响不大，各种Au－Ag复合膜的SPR光谱反射率均低于20%，表明共振现象很明显。

图4 不同厚度Au－Ag复合膜光纤SPR传感器的仿真光谱图Fig.4 Simulated spectra of optical fiber SPR sensors based on gold－silver composite thin films with different thickness

3 结 论

利用TFCalc软件仿真研究了Ag膜和Au－Ag复合膜厚度对光纤SPR传感器反射光谱特性的影响规律，获得主要结论如下：

（1）光纤表面等离子体共振现象吸收峰显著依赖于Ag膜厚度，当Ag膜厚度由40nm逐渐增加到80nm时，共振吸收峰的半峰全宽逐渐减小，吸收峰锐化程度增强；

（2）当Ag膜厚度由40nm逐渐增大到80nm时，表面等离子体共振吸收峰对应的反射率先减小后增大，其中60nm厚Ag膜的共振现象最明显；SPR共振波长随Ag膜厚度的增大而减小；

（3）不同厚度Au－Ag复合膜的SPR共振波长随Au膜厚度的增大而增大，金膜的引入对共振吸收峰反射率的影响不大，各组Au－Ag复合膜的SPR光谱反射率均低于20%，共振现象明显。

［1］ENGLEBIENNE P，VAN H，VERHAS M.Surface plasmon resonance：principles，methods and applications in biomedical sciences［J］.Spectroscopy，2003，17：255－273.

［2］PILIARIK M，HOMOLA J，MANIKOVA Z.Surface plasmon resonance sensor based on a single－mode polarization－maintaining optical fiber［J］.Sersors and Actuators B，2003，90（2）：236－242.

［3］LIN W B.Optical fiber as a whole surface probe for chemical and biological applications［J］.Sensors and Actuators B，2001，74（3）：207－211.

［4］WANG T J，TU C W，LIN F K.Surface plasmon resonance waveguide biosensor by bipolarization wavelength interrogation［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2004，16（7）：1715－1717.

［5］牟海维，王宏瑾，王 强，等.表面等离子体共振理论仿真研究［J］.光学仪器，2011，33（2）：1－6.

［6］KRETSCHMANN E，RAETHER H.Radiative decay of nonradiative surface plasmon excited by light［J］.Naturforsch，1968，23（12）：2135－2136.

［7］李 燕，隋成华，许晓军.角度指示型表面等离子共振传感器的研究［J］.光学仪器，2008，30（5）：32－34.

［8］LEONARD P，HEARTY S，WYATT G.Development of a surface plasmon resonance－based immunoassay for Listeria monocytogenea［J］.Food Prot，2005，68（4）：728－735.

［9］ALAEDINI A，LATOV N.A surface plasmon resonance biosensor assay for measurement of anti－GM antibodies in neuropathy［J］.Neurology，2001，56（7）：855－860.

［10］FORZANI E S，FOLEY K，WESTERHOFFL P.Detection of arsenic in groundwater using a surface plasmon resonance sensor［J］.Sensors and Actuators B，2007，123（1）：82－88.

［11］HOMOLA J，SLAVIK R.Fibre－optic sensor based on surface plasmon resonance［J］.Electron Lett，1996，32（5）：480－482.

［12］牟海维，段玉波，张坤，等.光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究［J］.光学仪器，2011，33（6）：58－61.

［13］HOMOLA J，SLAVIK R，TYROKY J C.Interaction between fiber modes and surface plasmon waves：spectral properties［J］.Opt Lett，1997，22（18）：1403－1405.

［14］MONZON H D，VILLATORO J.High resolution refractive index sensing by means of a multiple－peak surface plasmon resonance optical fiber sensor［J］.Sensors and Actuators B，2006，115（1）：227－231.