利用2×2纤锥表面等离子共振传感液体折射率

徐 海， 余有龙， 李丹丹， 干蜀毅

（1.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥230009；2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

利用2×2纤锥表面等离子共振传感液体折射率

徐 海1， 余有龙1， 李丹丹1， 干蜀毅2

（1.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥230009；2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

介绍了2×2纤锥等离子共振的工作原理，并用其对液体折射率进行传感。制作的表面等离子共振传感器用于检测甘油水溶液的折射率时，观测到被测液体折射率在（1.448，1.4515）区间变化时，等离子共振波长在（1450，1593）nm区间移动，两者间呈线性对应关系。系统的传感分辨率为2.448×10－5RIU。

表面等离子共振；2×2纤锥；传感；共振波长；折射率

表面等离子共振（Surface Plasmon resonance，SPR）是一种发生在金属层与电介质界面，强烈吸收部分波长能量的光学现象。将等离子共振技术与光纤低损传输有机结合，用来对待测量进行监测的技术便是光纤表面等离子共振传感，它首先由Jorgenson等人于1993年报道［1］。由于SPR效应对电介质折射率的变化非常敏感，用在生物医药领域可对抗体－抗原反应进行监测，开展病毒免疫研究［2］，还可用于研究DNA与蛋白质相互作用［3］等场合。

将光纤拉制成纤锥，在其表面镀金属薄膜，利用该膜与液体介质接触产生等离子共振，用来对物理量进行监测，便是纤锥等离子共振传感。侧抛型光纤SPR传感器的灵敏度为3100nm／RIU［4］，拉锥工艺有利于增强倏逝场的穿透深度，使灵敏度提高至10000nm／RIU［5］。纤锥等离子共振传感技术已用于氢敏传感［6］和折射率传感［7］。根据金属膜分布的差别，可将纤锥等离子共振传感分为对称结构（360°镀膜）传感和不对称结构（一侧镀膜）传感［8］；而根据纤锥传输模数的差别，还可将其分为单模纤锥SPR传感［8］和多模纤锥SPR［9］传感，其中前者克服了模间干扰，灵敏度高，但测量范围较小。

选取两根单模光纤，各将中间一段2至3cm的涂敷层除去，清洁处理后，对其打结、加热、拉锥，拉至预定长度时停止拉锥，便获得2×2纤锥。本文利用2×2纤锥作载体，镀膜后形成等离子共振，用于液体折射率传感。该传感器集传感、分光于一身，有利于实现分布式多点测量。为介质折射率、温度等物理量的测量提供了新途径。

1 工作原理

在纤锥的耦合区域，由于纤芯对光波束缚能力减弱，入射光进入包层成为辐射模，并在包层与金属层的界面形成消逝波，消逝波进入金属层激发自由电子，此时金属层与介质的界面处产生表面等离子波。当包层中的辐射模与表面等离子波的传播常数相匹配时产生SPR，对特定波长附近的入射光波呈强烈的吸收，其它波长的光波由于失配，吸收并不明显。将能量损耗最大的波长定义为共振波长，改变外部介质的折射率，共振波长也将随之改变。

对于单纤锥SPR传感器，光通过传感区后透射系数为［10，11］：

其中，F为菲涅尔系数，S标识为S偏振光，P标识为P偏振光，Fs为S光的菲涅尔系数，FP为P光的菲涅尔系数，n为外部介质的折射率，θ0为光波在光纤包层与金属界面一侧的入射角，N为反射次数，ρ为锥腰区光纤直径，z0为古斯－汉臣位移，L为锥腰区镀膜长度。

图1所示为具有分光功能的2×2纤锥，锥区外侧镀有金属膜层。若功率为P0的光波由光纤1左端输入，传至镀有金属膜层的锥区时，耦合使得部分光波穿过包层进入光纤2，并沿光纤2向右传输。记光纤1和光纤2输出端的功率分别为P1和P2。由于纤锥分光，在光纤1输出端观测到的共振现象是由部分入射光所激发，其通过镀膜区域后透射系数仍可按公式（1）计算。

图1 2×2纤锥结构示意图

其中，L1为双锥间颈部长度也是2×2纤锥等离子传感器镀膜长度。

以空气作为参考样品，T与参考信号的比值就为共振时的透射谱。入射光波长为1550nm时，包层折射率为1.4629，银的折射率为0.469＋9.32i，甘油水溶液折射率为1.448～1.4515，传感长度6mm，膜厚30nm。按公式（1）拟合共振仿真图，如图2所示。从图2可以看出，透射光谱只有一个波谷，共振波长随折射率增加向长波方向移动。

图2 仿真透射谱

2 实验

选取两根单模光纤，各将中间一段2至3cm的涂敷层除去，清洁处理后，打结平行放置于666.5℃的温度场中，利用步长为0.002mm的微动平台，对其拉锥，当锥腰尺寸拉至30μm时，停止拉锥。在获得的2×2纤锥耦合区蒸镀一层30nm～40nm的银膜，便制成2×2纤锥SPR传感器。

在室温20℃条件下，测试表明，2×2纤锥耦合器的附加损耗为0.45dB。

搭建图3所示的装置，用来检测SPR效应的透射谱。所用宽带光源为LED，波长范围1426nm～1626nm。LED发出的光经起偏器成为线偏振光，进入上述拉制的2×2纤锥，其输出端接入光纤光谱仪。纤锥样品置于长、宽 、高分别为10cm、10cm、2cm的塑料材质的样品池中。池中溶液折射率变化时，用光谱仪观察纤锥输出光谱的变化。

图3 实验装置示意图

将甘油置于图3所示的样品池中，向池中注入去离子水，通过改变甘油水溶液的浓度，来调整折射率的值。借助阿贝折光仪对折射率的实际值进行标定，折射率为1.448～1.4515。测出共振波长，拟合折射率与共振波长的关系曲线。

3 结果与讨论

由图4可知，透射光谱只有一个波谷，与图2的理论预期相符。预期的共振波长随折射率增加的变化趋势，与实际变化相一致，随折射率增加向长波方向移动。预期的共振波长与实测结果基本一致。由此证明仿真结果是可靠的。实验中由于银膜氧化，实测透射谱与理论透射谱的共振深度相差较大。

图4表明，2×2纤锥等离子传感器的共振波长随折射率的增加而变化，不同的共振波长对应不同的折射率，二者之间一一对应。折射率有微小变化，共振波长就会有明显移动，说明传感系统具有较高的灵敏度。

以共振波长为自变量，折射率为应变量，依所得数据拟合折射率共振波长

的实验关系曲线，见图5。二者关系曲线的多项式为：

y＝0.0000229x＋1.415

图5反映出在误差许可范围内，共振波长与折射率间呈线性变化关系。通过检测等离子共振波长可确定待测介质的折射率。

图4 透射谱

图5 折射率与共振波长之间的关系

图4和图5表明，传感系统可在1426nm至1626nm波长范围内实现对液体折射率的检测。检测时光谱仪分辨率为1nm，系统的传感分辨率为2.448×10－5RIU。

2×2纤锥等离子传感器与单纤锥等离子传感器的区别在于，2×2纤锥等离子传感器可同时输出两路传感信号。可与其它光纤等离子传感器连接，实现测量点不在一条直线上的多点分布式传感。

4 结论

用单模光纤拉制了2×2纤锥，镀银膜后成为等离子共振传感器，在1426nm～1626nm波长范围内用来对甘油水溶液的折射率进行检测。实验中折射率的检测区间为1.448～1.4515，结果表明，在所测折射率范围内，共振波长与折射率呈线性变化关系。系统的传感分辨率为2.448×10－5RIU。该检测技术具备实时监测能力，其传输距离远，抗干扰能力强等，在水质监测、环保领域有广阔的应用前景。由于银抗氧化性差，在银膜外镀一层10nm左右的氟化镁，将有利于延长传感器的使用寿命，增加检测结果的重复性。

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Liquid Refractive-Index Measured by a2×2 Tapered Coupler Surface Plasma Sensor

Xu Hai，Yu Youlong，Li Dandan，Gan Shuyi

The working principle of surface Plasmon resonance（SPR）of a 2×2tapered coupler is introduced.It was used to act as a liquid refractive－index sensor.The fabricated sensor is used to measure the refractive－index of Glycerol water within the range from 1.448to 1.4515.The resonant wavelength of SPR is observed to shift from 1450nm to 1593nm.Linear relationship is shown between the wavelength and the index value.The system achieves a resolution of 2.448×10－5RIU.

surface Plasmon resonance；2×2tapered coupler；sensing；resonant wavelength；refractiveindex

TP212.1

A

1673-1794（2012）05-0034-03

徐 海（1980－），男，硕士研究生，研究方向：新型传感器；指导老师：余有龙，男，教授，博士生导师，e-mail：youlongyu＠163.com。

2012-08-27