光纤SPR传感技术的教学与实践探究

苏于东 魏勇 冉泽

基金项目：重庆三峡学院教育教学改革研究项目资助“依托创新实验室培养创新创业人才的探索与实践”（编号：JGQN2208）

摘 要：随着现代科技日新月异的发展，传感器技术得到了广泛的应用并且被越来越多的人所熟知。对于电子科学与技术专业的教学改革，特别是传感器原理和应用的相关课程教学，了解前沿的传感技术对培养创新应用型人才，扩展学生专业知识具有很重要的作用。如何让学生能够真正了解科研，认知前沿的传感技术，文章将以光纤表面等离子体共振（SPR）传感技术为例，着重阐明上述问题。

关键词：传感器;教学改革;光纤SPR传感技术

1引言

“传感器原理及应用”作为大学本科电子科学与技术专业的基础课程，目前的教学只是停留在书本上的基础知识上，而其原理大多生硬难懂，学生无法真正理解。而在科技迅速发展的今天，企业对技术人员的探索创新能力以及自主研发能力的要求较高。如何锻炼学生的创新型思维，发挥学生自主学习能力成为教学中探索的重点[1]。

表面等离子体共振（SPR）传感技术作为一种新型的光学传感技术，具有免标记、实时检测、非接触无损伤测量等优点[2]。广泛应用在生物医疗、食品安全、环境监测和结构体健康监测等领域。因此，在“传感器原理及应用”的实际教学过程中，引导学生认知了解光纤SPR传感技术原理和相关实验实践知识，对学生了解前沿的科学技术，提高其学习理论课程的主动性有很大的帮助。

本文从光纤SPR传感技术出发，介绍光纤SPR传感器的相关原理以及具体的实验制作过程。将前沿科研引入到课程教学当中，充分调动学生参与科研的积极性[3]。这样，既提升了学生学习“传感器原理及应用”这门课的积极性，同时也培养了学生初步的科研能力，为将来更快更好的融入社会奠定基础，从而达到较好的教学效果[4]。

2理论知识教学

2.1光的全反射原理

在波动光学的理论中，当光线以入射角从光密介质入射到光疏介质，即时，入射光在折射率不同的介质的交界面处存在折射和反射现象，如图1所示。

可看出折射角大于入射角，当入射角增大时，根据折射定律，折射角也随之增大，当增大到某一数值时，折射角。当时，折射光线消失，光线全部反射，这时被定义为全反射临界角。

光在光纤中就是以大于或等于临界角的方式，在光纤纤芯和包层的交界面，不断发生全反射向前传输的。

2.2光纤SPR原理

光在光纤中传播遵循全反射原理，当光发生全反射时，会在纤芯与包层的交界面产生呈指数衰减的倏逝波，倘若在包层表面镀制有纳米级金属膜，如金膜或者银膜，则倏逝波会激发金属膜表面的自由电子，产生表面等离子体。当倏逝波波矢与表面等离子体波矢相等时，两者将发生能量耦合，产生表面等离子体共振，即SPR吸收。如此会导致某一波长处的反射光强急剧下降，在光谱曲线上表现为在改波长处的塌陷，这就是表面等离子体共振原理。

通过介绍光纤SPR原理，将传感器的前沿技术引入课堂教学，学生能了解最新的科研动态，激发其学习的积极性。

3实验教学

除了理论知识的传授，学生还需要掌握一定的实验实践技能。通过理论和实验的结合，提高学生的动手创新能力。

3.1光纤SPR传感器测试

如图2所示，光纤SPR传感器测试系统包含超连续谱光源、光纤、SPR传感区、光谱仪和计算机。超连续谱光源注入纤芯直径为125um的光纤中，剥除1-2cm光纤的包层，露出纤芯，在纤芯处镀制50-60nm金膜，形成SPR传感区;光纤另一端接入光谱仪和计算机，分析光谱的变化情况，从而得出SPR传感器相关性能参数。

3.2具体实验操作

取1m长的塑包光纤（塑料包层光纤，其纤芯为高纯度石英玻璃制成，其包层为折射率比石英稍低的如硅胶等塑料制成），在塑包光纤中间处，用刀片剥掉1-2cm的涂敷层和包层，露出纤芯，然后在小型离子溅射仪内镀制50nm厚金膜，按图2所示搭建实验测试系统。用事先配好的不同折射率的甘油溶液（蒸馏水和甘油的混合溶液，两溶液比例不同，所得折射率不同）进行折射率测试，表现为在计算机上的光谱在某一波长处塌陷。保存好各项测试数据，并用MATLAB仿真软件进行数据处理，处理后所得图像如图3所示。

由图3可看出，不同折射率溶液在不同的波长处有着不同的反射光强衰减，可看出随着折射率的升高，衰减方向往长波长方向移动，这就是光纤SPR现象。

在实验过程中，可以让学生动手剥光纤，在显微镜下观察光纤的直径，并参与光纤的镀膜过程和测试不同折射率溶液过程，观察SPR现象，深刻理解SPR的具体操作流程，了解科研，参与科研，既巩固了基础知识，扩宽了科研见识，又推动了实验和理论教学的同步发展。

4结束语

光纤SPR传感技术的教学与实践探究，意在通过理论阐述和实验操作结合教学，使学生掌握时代技术脉搏，了解现代传感技术，开阔眼界和知识面;使学生受到综合运用多种知识，解决实际问题能力的训练，提高科研能力。另外，在教学上引入科研，让科研进课堂、进教材，增强了学生知识面的深度和广度。

参考文献：

[1]赵丽芬，张学超，陈文娟.“传感器技术及其应用”课程教学改革[J/OL].无线互联科技，2017，（15）：84-85（2017-09-04）.

[2]彭伟，刘云，张扬，荆振国，陈诗蒙.微结构光纤表面等离子激元共振传感器的研究[J].应用科学学报，2017，35（04）：434-459.

[3]郑永刚.前沿科研进入近代物理實验教学模式[J].物理实验，2017，37（05）：32-33.

[4]杨睿.《传感器原理及应用》课程实践教学改革与创新[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2015，33（04）：571-574.