第 卷第 期
年 月
辽宁师范大学学报自然科学版
Journal of Liaoning Normal University Natural Science Edition
VolNo
Sep
收稿日期
基金项目国家自然科学基金项目 国家高技术研究发展计划 计划项目AAZ
作者简介单良男辽宁沈阳人英国 Bristol 大学博士研究生
文章编号
基于侧面抛磨的光纤 SPR 传感器研究
单良
马晓红
赵华凤
清华大学 电子工程系北京 University of Bristol Engineering Department Bristol BS TH UK
摘要
在设计并搭建光纤侧面抛磨平台的基础上研制可用于表面等离子体传感器的侧面抛磨光纤并给出实验检
测测量效果首先理论模拟光纤 SPR 传感器在制作过程中以及完成 后的性能变化找到理想 的工艺参数 和测量效果
的关系然后进行设计并搭建光纤侧面抛磨平台可实现对光纤抛磨的深度长度光插入损耗等物理量的实时在线控
制最后对制成 的 光 纤 抛 磨 样 品 进 行 测 量 来 验 证 整 套 装 置 根 据 实 验 结 果 光 纤 抛 磨 样 品 的 测 量 分 辨 率 为
RIU峰峰值大于 dB
关键词表面等离子体侧面抛磨光纤 SPR 传感器
中图分类号TP文献标识码A
表面等离子体振荡Surface Plasmon Resonance SPR 是光电传感技术的重要原理之一利用全反
射产生的消逝波与金属表面等离子体波达到共振测量外界媒质的折射率变化在 世纪初 Wood 等人
首先在实验中发现了这种现象
然后Otto 于 年首先设计出了通过衰减全反射Attenuated Total
Reflection的方法来观察 SPR 现象
而后Krestchmann
改进了之前的棱镜 SPR 传感器的结构使棱
镜 SPR 传感器的研究得到迅速发展 世纪 年代以来棱镜表面等离子体波传感器在生化生命科
学食品检测环保等领域获得了广泛应用
年美国华盛顿大学 RCJorgenson 博士提出了表面等离子体共振效应可以以光纤纤芯为载体
来实现
光纤型 SPR 传感器在棱镜型的基础上增加了小型化低价格适合长距离在线实时观测等
特点并得到人们的大量关注
光纤 SPR 传感器发展至今已经衍生出很多不同结构传输方式一般分为反射型与在线型传感区
的类型主要为环剥型与 D 型笔者主要研究了通过侧面抛磨的方法来实现在线型光纤 SPR 传感器的制
作并对制作好的光纤传感区进行测量通过数值计算来获得比较好的实验结果其优点是可以实时监
控制作进度并可以方便更改设计参数
理论模拟与计算
光纤中表面等离子体共振由全内反射产生光以大于全反射角的角度入射到光纤芯层与包层的交界
面产生全反射在交界面的包层一侧透射一定深度的消逝波在光纤表面的金属面上激发金属表面等离子
体波满足共振条件的入射波矢将与等离子体波产生共振使全反射光中相应的波矢光强有显著下降
对于棱镜型 SPR 传感器入射光中的 p 光波矢 K
f
表达式为
K
f
c
sin
i
金属表面等离子波的波矢 K
m
表达式为K
m
c
mr
s
mr
s
当二者相等时就会产生 SPR 共振现象因为光纤中的传输模式较棱镜型传感器复杂很多可以简单地
通过用菲涅尔反射率公式来计算 层介质的反射率随波长的变化规律