螺旋形塑料光纤表面等离子体共振折射率传感器

徐 跃，薛 鹏，张 瑞，陈媛媛

（1. 中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051；2. 中北大学 电气与控制工程学院，山西 太原 030051；3. 中北大学 前沿交叉科学研究院，山西 太原 030051；4. 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西 太原 030051）

引言

表面等离子体共振（SPR）折射率传感器技术是近年来研究的热点之一，通过在光纤表面涂覆某种贵金属纳米颗粒（Au、Ag 等）、石墨烯、金属氧化物等材料来激励SPR 效应，由于其可检测微小的折射率（refractive index, RI）变化，因此在生化领域有重要的应用[1-3]。在目前已报道的多种类型SPR 折射率传感器中，光纤SPR 折射率传感器因具有高灵敏、低成本、尺寸紧凑和可远距离监测等优点而备受关注。目前，常见的光纤SPR 折射率传感器有：腐蚀布拉格光栅SPR 传感器[4]、倾斜布拉格光栅SPR传感器[5]、长周期光栅SPR 传感器[6]、光子晶体光纤SPR 传感器[7]、马赫曾德干涉仪SPR传感器[8]和微腔结构光纤SPR 传感器[9]等。然而，通常用于制造SPR 传感器的光纤为单模、多模或微结构石英光纤，由于石英材料的质地坚硬、韧性较差，使得制作过程较为复杂且石英光纤易碎，封装工艺复杂昂贵。

近年来，由于螺旋形塑料光纤（POF）低温软化易于热定型的特性，与石英光纤传感器相比，POF传感器具有制备工艺简单和测试成本低廉的优势，从而被认为是石英光纤折射率传感器的最具价值的潜在替代品之一。迄今为止，研究人员通过改变支持SPR 的纳米结构的材料、薄膜厚度、形状、结构、大小、分布、组成和密度来调整光谱的共振波长，研究出多种不同结构的POF 基SPR折射率传感器。如2014 年，N.Cennamo 等人[10]提出了一种基于等离子体传感器平台的锥形POFSPR 折射率传感器，研究了传感探头中锥形部分的存在与否和放置位置对传感特性的影响。2017 年，S.Jiang 等人[11]提出了一种基于U 形POF 的局部SPR（LSPR）传感器，在U 形POF 上沉积一层Ag 薄膜后，再覆盖一层由聚乙烯醇（PVA）、石墨烯（G）和银纳米颗粒（AgNPs）合成的包覆层，形成PVA/G/AgNPs@Ag 薄膜，证明了石墨烯可以提高LSPR传感器的灵敏度，有效延缓AgNPs 的氧化过程，从而维持LSPR 传感器的稳定性。2019 年，Murias 等人[12]提出一种尖形POF-SPR 传感器，通过在光纤尖端端面涂有金属层作为传感探头，测量液体折射率及液位的变化；而且，选用热光学系数高的热响应材料覆盖传感区域，还可实现温度测量。2020年，C.Teng 等人[13]提出了基于侧抛宏弯POF-SPR折射率传感器，并研究了金属层厚度、抛光深度、宏弯半径和抛光角度等结构参数对传感性能的影响，通过优化结构参数，提高了传感灵敏度。同年，Y.Hu 等人[14]提出了一种窄沟槽结构的POF-SPR折射率传感器，在整个光纤表面溅射了一层金膜，并研究沟槽间距对折射率响应的影响。

本课题组选用成本低廉的商用塑料光纤作为原材料制备螺旋形POF，该结构类似于螺旋形的长周期光栅（LPG），其在制备成为探测稳定性更好，灵敏度更高的波长调制型SPR 折射率传感器方面具有巨大潜力。为此，本文通过对螺旋形POF 区域蒸镀一层Ag 膜，将其制备成螺旋形POF-SPR 传感器，并针对修饰光纤结构参数来提升折射率传感特性展开了相关研究。

1 螺旋形POF-SPR 折射率传感器的制备及传感原理

1.1 螺旋形POF-SPR 探头的制备

本文采用商业多模POF（CK-40, Super Eska）制备螺旋形POF-SPR 传感探头。POF 的纤芯材料为聚甲基丙烯酸甲酯聚合物（polymethyl methacrylate,PMMA），直径为980 μm，折射率为1.492，包层材料为氟化聚合物，厚度为10 μm，折射率为1.402[15]。

螺旋形POF-SPR 传感探头制作过程如图1 所示。首先将一对表面光滑的金属模具固定在虎钳（OZO, QGG）的钳口中，将POF 夹在2 个金属模具之间，通过旋拧虎钳将其夹紧，如图1（a）所示。为了使POF 在一定应力下更容易形变，将夹有POF的虎钳放在恒温加热平台（ET-200, ETOOL, 温度范围20 ℃～350 ℃）上，设定平台温度为150 ℃，连续加热虎钳约10 min。然后旋转虎钳按压光纤，持续几秒钟后，松开虎钳，取出光纤，此时圆柱形POF在力的作用下形变成扁平形，其结构如图1（b）所示，L为扁平形POF 的长度，d为厚度，D为直径。接下来，采用扭曲法将扁平形POF 制备成螺旋形，如图1（c）所示。使用光纤夹具将扁平形POF 两端夹紧，并将其置于图1（a）中恒温加热台（温度控制在120 ℃）上方1 mm～2 mm 处，待光纤稍微软化后，将扁平状POF 的两端朝相反方向同时扭转一定的角度θ，大约持续10 s 后，远离热源并保持这种状态约1 min，使光纤自然冷却到室温。操作结束以后，即可形成图1（d）所示传感长度L，螺距为p的螺旋形POF。如图1（e）所示，为了激励SPR 效应，采用磁控溅射蒸镀的方法在螺旋形POF 表面沉积一定厚度的金属薄膜，最终得到的如图1（f）所示螺旋形POF-SPR传感探头。

图1 螺旋形POF-SPR 探头制作工艺Fig. 1 Manufacturing process of spiral-shaped POF-SPR probe

图2 为不同螺纹数螺旋形POF-SPR 探头照片。

图2 不同螺纹数螺旋形POF-SPR 探头照片Fig. 2 Photos of spiral-shaped POF-SPR probes with different number of threads

1.2 螺旋形POF-SPR 传感器的基本原理

螺旋形POF 结构类似于具有周期性螺旋状的长周期光栅（helical long period grating, HLPG）[16]。在1991 年，C.D.Poole 等人[17]首次提出这种新型LPG光子器件，可将低阶纤芯模转为高阶纤芯模、包层模和辐射模，有效增强了其表面的消逝场强度。

螺旋形POF 结构如图1(d) 所示，螺距p即螺旋形POF 的周期Λg，它可以通过以下公式计算：

式中：L是POF 扭转部分的长度；N是扭转光纤的圈数（螺纹数）。由此可知，螺旋形POF 的周期可以通过调整POF 被扭转的圈数或被加热的长度来调整。该结构POF 相位匹配公式满足：

式中；um为第一类零阶Bessel 方程的m个根；rcl和ncl是光纤包层半径和折射率。根据（5）式分析，影响折射率灵敏度的因素有很多，包括周期Λ和包层有效折射率等。

为了增强螺旋形POF 的折射率灵敏度特性，利用有机溶剂化学刻蚀的方法，将塑料光纤中一小部分的包层去除，代之以敏感材料进行膜层增敏来制备成基于SPR 的传感器是有效方法之一。当光从螺旋形POF 的一端入射，经过光纤探头两侧螺旋条纹，由全反射产生的倏逝波（evanescent wave, EW）的p 偏振分量将会进入金属膜，与金属膜中的自由电子相互作用，从而激发出沿金属膜表面传播的表面等离子体波（surface plasmon wave,SPW）[18]。当入射光波长达到某一特定值时，入射光的大部分能量会转换成SPW 的能量，在透射光谱上则会出现一个吸收（共振）峰。吸收峰可用共振波长、半峰全宽和吸收峰深度等特征参数描述[19]。当螺旋形POF-SPR 传感探头周围环境折射率产生变化时，共振峰将会发生漂移，通过监测漂移量就能得到待测样品折射率的变化，从而实现对折射率的测量。

2 螺旋形POF-SPR 折射率传感器的传感特性研究

2.1 折射率测量实验装置

如图3 所示，螺旋形POF-SPR 折射率传感器实验装置由光源、光纤跳线、光纤耦合器、传感探头、光纤光谱仪和数据采集系统等基本单元组成。采用波长范围为360 nm～2 600 nm 的可见光源（LS-3000，ocean optics）发射复色光，检测波长范围185 nm～1 100 nm、分辨率为0.7 nm 的可见光谱仪（QE Pro, ocean optics）分析透射光谱。折射率匹配液采用去离子水与丙三醇（甘油，C3H8O3，纯度≥99%, 国药集团化学试剂有限公司）按不同比例进行混合制成。

图3 实验装置示意图Fig. 3 Schematic diagram of experimental device

在室温环境下，将螺旋形POF-SPR 传感探头浸入装有折射率匹配液（RI=1.335～1.400）的溶液池中，多次重复测量取平均值，每次测量结束后，使用去离子水对传感探头进行冲洗并清理表面残余水分，然后进行下一次测量[20]。传感器的输出响应可以使用归一化透过率表征，其表达式为

式中：Io为传感器在空气（RI=1）中的输出光强；Ii为在不同折射率匹配液下传感器的输出光强。

具有波长调制的螺旋形POF-SPR 传感器的灵敏度S（nm/RIU）定义为每单位折射率变化引起的共振波长的偏移，可以表示为

2.2 折射率传感特性

1） 扁平形POF 的厚度对传感特性的影响

按照图2 所示的制备工艺，首先将POF 压制成传感区域长度L=20 mm，厚度d分别为400 μm、500 μm 和600 μm 的扁平形，然后将它们分别扭制成螺纹数为4 的螺旋形POF，最后采用真空磁控溅射镀膜的方法在螺旋形POF 表面蒸镀一层厚度约为50 nm 的银膜。使用图3 所示的实验装置分别测试了它们的折射率传感特性，测试结果如图4 所示。可以看到，由厚度d=600 μm 扁平形POF 扭制而成的螺旋形POF-SPR 传感探头SPR 透射谱透射深度过浅，SPR 共振峰随折射率增加变化不明显，导致折射率测量精度极低。而由厚度d=400 μm和d=500 μm 制成的螺旋形POF-SPR 传感探头，在透射光谱中具有明显的共振特征吸收峰，且SPR共振波长随折射率的增加发生红移。

图4 透射光谱和归一化透过率曲线Fig. 4 Curves of transmission spectrum and normalized transmittance

如图5（a）所示，为厚度d=400 μm 和d=500 μm扁平形POF 扭制而成的螺旋形POF-SPR 传感探头测得共振波长与折射率的关系曲线。从图5（a）可以看出，由厚度d=400 μm 扁平形POF 扭制而成的传感探头测得共振波长随折射率的增加虽具有较大的红移量，但呈非线性关系，其原因可能是对POF 压制太薄破坏了光纤内部结构，且薄POF 在冷却过程中更易发生收缩形变。图5（b）所示为厚度d=400 μm 扁平形POF 扭制而成的传感探头的灵敏度与折射率间的关系。当折射率为1.37 时，折射率灵敏度可达3 935.3 nm/RIU。相比之下，厚度d=500 μm 扁平形POF 扭制而成的螺旋形POF-SPR传感探头共振波长随折射率的增加虽红移量较小，但在整个折射率测量范围内线性度较好，经拟合计算得到的均方根误差为2.198。因此，为更好地满足实际应用需求，后面研究选用厚度d=500 μm的扁平形POF 扭制而成的螺旋形POF-SPR 传感探头作为研究对象，研究不同螺纹数对折射率传感特性的影响。

图5 扁平形POF 的厚度对传感特性的影响Fig. 5 Influence of thickness of flattened POF on sensing characteristics

2） 螺纹数对传感特性的影响

接下来，研究将传感长度L为20 mm，厚度为500 μm 的扁平状POF 分别扭制螺纹数为3、4 和5 的螺旋形POF，并在螺旋形POF 表面蒸镀相同银膜厚度（约50 nm）的传感器折射率传感特性，测试结果如图6 所示。可以看出，随着溶液折射率递增，不同螺纹数传感探头的SPR 共振峰均产生了红移，且透射深度也越来越深。但从整体上看，当螺纹数超过4 时，传输特性反而变差，这可能是由于过大的扭转度，引入了过高的弯曲损耗，劣化了光传输质量造成的。

图6 不同螺纹数螺旋形POF-SPR 传感探头归一化透过率曲线Fig. 6 Normalized transmittance curves of spiral-shaped POF-SPR sensor probe with different number of threads

图7（a）所示，为不同螺纹数螺旋形POF-SPR传感探头共振波长与折射率之间的关系，从中可以看出，螺纹数为4 的螺旋形POF-SPR 传感探头在整个折射率测量范围内具有较好的灵敏度和线性度，在折射率1.335～1.400 范围测得灵敏度为1 262 nm/RIU，RMSE 为2.198。图7（b）所示，为螺纹数为3 的螺旋形POF-SPR 传感探头测得灵敏度与折射率之间的关系，结果显示，当折射率为1.38时，灵敏度最大，为1 843 nm/RIU。

图7 螺纹数对传感特性的影响Fig. 7 Influence of the number of threads on sensing characteristics

表1 所示为本文所提出传感器与其他不同结构的基于POF-SPR 传感器的传感性能的比较结果，可以看出，本文所提出的折射率传感器总体来说，系统加工工艺大为简化，并且具有较高的折射率灵敏度。

表1 基于不同类型POF-SPR 传感器的性能比较Table 1 Performance comparison for different types of POF-SPR sensors

3 结论

本文采用一种简单的机械热压和扭曲法将商用POF 改造成螺旋形结构，并通过蒸镀Ag 膜制备成螺旋形POF-SPR 传感探头。通过改变螺旋形POF-SPR 传感探头的结构参数（扁平形POF 厚度，螺纹数），研究了其对折射率传感特性的影响。结果表明，由厚度为500 μm 扁平形POF，螺纹数为4 制备得到的螺旋形POF-SPR 折射率传感器，线性度最优，且在折射率1.335～1.400 范围内，测得的灵敏度为1 262 nm/RIU。研究表明，该传感器兼具制备工艺简单和成本低廉的优势，可成为折射率传感领域中一个很有前途的解决方案。