微米纳米微结构光纤传感器的研究现状——论文翻译

微米纳米微结构光纤传感器的研究现状——翻译 微米纳米微结构光纤传感器的研究现状 摘要:介绍了最近发展起来的微米纳米微结构光纤传感器～特别是面等 离子体共振光纤传感器和光子晶体光纤传感器。介绍了表面等离子共振传 感器的原理～影响参量以及各种不同的结构。同时介绍了不同类型的光子 晶体光纤传感器和它们的应用。 关键字: 表面等离子共振传感器 表面等离子振荡 光子晶体光纤 光纤传感器 对光纤传感器的研究已经有很长一段时间了，从研究的角度看很多光纤传感技术已经趋于成熟，一些已经商业化了。然而随着最近在表面等离子共振(SPR)和光子晶体光纤(PCF)技术上取得的巨大进展，微米结构和纳米结构的光纤传感器的研究引起了研究者巨大的兴趣。这篇文章首先介绍SPR的原理和光纤SPR传感器的结构，影响其灵敏度的因素等;然后介绍不同类型的PCF传感器以及简单应用。 1. 表面等离子共振光纤传感器 表面等离子共振现象应用在传感器系统中已经很长时间了。光纤SPR传感器的发展始于上世纪90年代初。尽管1990年就有文章提出用光纤作为SPR传感器的耦合器件，真正意义上用光纤作为传感器头部的光纤SPR传感器出现在1993年。随后，光纤SPR传感器就得到了人们持续的关注和研究。光纤SPR传感器可以探测外部折射率的变化，并且通过调整金属层和覆盖层的厚度等参数可以优化传感器的性能。 1.1 光纤表面等离子传感器的原理 如图1所示，在金属和电介质或者空气的界面处，由于电子浓度的梯度分布，存在着自由电子的浓度振荡，当其与电磁波耦合时就会产生表面等离子振荡(SPPs)。表面等离子体波(SPWs)沿着金属和电介质的界面向前传播。 由于表面正常电场成分的存在，只有TM模可以激发SPR。SPPs的一个重要的特征就是在金属和电介质层的交界处，电场的振幅为最大值，在两边的材料内按照指数衰减，如图1(b)所示。造成这个独特的特性的原因是对光来说，金、银、铜、铝等金属的介电常数是负的(金属的介电常数是复数，其实部是负数)，而电介质的介电常数是正的。在众多金属中，银有最尖锐的SPR共振峰，而金则有卓越的表面稳定性，这两种金属最常被应用。 图2 激发SPR的方法有很多种，例如棱镜耦合，波导耦合，光纤耦合以及光栅耦合等。最常用的方法是棱镜耦合的衰减全发射，就是所谓的Kretschmann方法。图2所示为 Kretschmann结构:高折射率棱镜的折射率为n，底部覆盖一层介电常数为，厚度为d,p m n的金属薄膜，金属膜外面是折射率为(<)的电介质,。在棱镜中传播的光线入射到nnpdd n金属薄膜时，如果入射角大于由和的关系决定的临界角时，光线基本上全部反射回棱npd 镜。倏逝波则穿透进入金属薄膜(因为薄膜很薄，一般小于100纳米)，因此在金属和电介质的界面处依然有电场存在。在满足相位匹配条件的时候，这就可能在界面处激发出表面等 kSPW随后沿着分界面向前传播。SPWs的传播常数与电介质的关系式可以离子共振波，sp 表示为为 ,,2,dmk,Re() sp，,,,dm 2,,n其中，和,分别是电介质和金属的介电常数，,是真空中的波长，在棱镜和金属mdd 2,kn,,界面处的倏逝波的传播常数sin，是图2中所示的光线的入射角。如果k和,zpz, k相等，SPWs就会被激发。我们注意到在金属和棱镜界面处(M/P)没有SPW。SPWssp n只会在n<的情况下出现在金属和电介质的界面处(M/D)。 穿透金属的倏逝波在M/Dpd 界面处引发发生表面等离子振荡，使得光被辐射回金属。这些光线与反射光发生相消干涉，使得总的反射光减少。在理想状况下，总反射变为0，所有的透射光转化为M/D表面处的SPWs。在一般的绝缘体-金属-绝缘体结构中，对称的和不对称的SPP模式都是可能存在的，然而在Kretschmann激发模式中，这些模式不可能存在。 图3 SPW也可以被金属表面的光栅激发出来，如图3所示。如果光栅衍射光的波矢与光栅表面平行，并且和SPPs的传播常数相等的话，光就会被耦合进SPW，如下面方程所示: 22,,nmk，,,sin， ,dsp,, ,其中m是代表衍射级数的整数，是光栅周期。由于在光栅耦合中，入射光直接照在金属表面，因此样品层或者样品液必须是光学透明以便光线通过。这种方法也可以反过来用，即利用光栅把SPWs转化成光。 光纤SPR传感器和Kretschmann棱镜结构大体一致，只不过棱镜被一个光纤的纤芯所 替代，如图4所示。图4显示了光纤SPR传感器的基本结构，光纤的包层被去掉，纤芯对称的被金属层覆盖。光纤可以轻松灵活的激发出SPW。从上面的方程我们可以得到: ,,22,,smn,(4) sinRe(),fiber，,,,,sm 图4 n是光纤纤芯的折射率，是样品媒质的介电常数。由于SPWs存在于金属和样品媒质,fibers 的界面处，因此对界面处条件的任何变化如金属表面吸收分子非常敏感。上面覆盖层折射率的变化将导致SPW传播常数的改变，这个可以通过与SPW干涉的光波的特性的改变观察到。在方程4中，的变化导致SPR角度或者波长的变化。当角度和波长固定的时候，,,ss的变化由于破坏了相位匹配条件，将导致反射光强的变化。总体来说，检测共振波长或者共振角的光纤SPR传感器是应用最广泛的。 上面已经指出，SPWs的光场在界面处最大，在两侧的金属和电介质中迅速衰减。在电介质中的穿透深度(定义为场强衰减到最大值的exp(-1)时的深度)可以表示为: ,2,,1d,j . (5) [Re()],d,，,,md 表1显示出不同的金属，电介质，波长时的介电常数和穿透深度。 633nm 1550nm 金属 银 金 金属 银 金 电介质 (0.135+i3.99) (0.197+i3.09) 电介质 (0.469+i9.32) (0.559+i9.81) 空气 (1.00) 水 (1.33) 二氧化硅 (1.54) 1.2 光纤SPR传感器的优缺点和灵敏度 与传统的传感器相比，SPR传感器有很多优点。首先，SPR传感器灵敏高，响应速度快几倍，感应区域小(SPW典型的传输距离在微米量级)。另外，SPR传感器，特别是金属纳米颗粒传感器，同时存在LSPR效应和表面增强的拉曼散射(SERS)。通过SERS，对粘合的东西的探测以及被分析物的定性，即使是在生物研究中的单个分子的水平也是可能的。尽管基于棱镜的SPR传感器是最方便的SPR装置，但它体积大并且包括很多光学和机械部 分，使得系统优化和商业化以及大规模的远程传感很难实现。通过使用光纤可以使得SPR传感器系统小型化。使用光纤的一个重要的原因就是它的直径很小，使得可以用在很小容积的情况下。其他的优势包括光学设计的简单化以及远程感应的能力。 然而，光纤SPR传感器也有一些缺点。与棱镜装置不同，其入射角不能被控制，使得透射光谱中的感应曲线展宽，导致灵敏度和可探测极限下降。用单模光纤(SMF)代替多模光纤(MMF)可以提高传感器的性能。另一个缺点是很难对光纤SPR传感器进行理论分析。一般采用平面结构近似或者理想的对称圆柱假想设进行理论分析。虽然通过进行精确的三维分析和平行计算可以做出一个完整的三维数值分析，但是这相当消耗时间的。 基于棱镜的SPR装置中，一般使用单色的光源，调制入射角是;光纤SPR传感器与之不同，它可以使用白光作为光源。这样就有一个很宽的光谱范围来探测共振波长。光纤中的入射角被纤芯-包层的全反射角所限制。尽管可以用单色光并且探测它在光纤中的传输强度的变化，但如果用宽带的白光，就可以在透射光谱强度分布中监测共振波长的变化。如图5所示，透射光功率谱中可以观察到在共振波长处有一个很尖锐的凹陷。当探测区域的折射率变化时，共振波长会产生漂移。如果折射率变化量是，共振波长变化量是，则SPR,n,,sres传感器的灵敏度S就可以定义为 ,,res S,n,s 图5 ,为了计算灵敏度，可以画成是n的函数，那么斜率就是传感器的灵敏度。SPR共ress ,振波长探测的准确性依赖于透射光谱中响应曲线的宽度。这表明宽度越窄，准确度越高。 res 1.3 影响光纤SPR传感器性能的因素 下面，我们研究影响SPR光纤传感器性能的参数。首先，如图6和表2所示，现在多种多样的SPR光纤传感器结构，例如对称的结构有简单的被金属覆盖的有包层光纤和无包层光纤，细光纤;不对称的结构有单面抛光光纤(D型光纤)，单边镀膜的有包层光纤和无包层光纤。它们都可能包含覆盖层或者多层结构。覆盖层是附着在金属层上面的一层，可以有效的改变光纤SPR传感器的测量范围。许多SPR光纤传感器采用的更进一步改进的结构，例如利用各种类型的光栅，异芯光纤，纳米微孔等。 图6:各种SPR光纤传感器的结构图: (a)D型光纤(b) 无包层光纤(c)尾端反射镜 (d)尖尾端 (e)细化光纤 由于多模光纤SPR传感器对机械扰动很敏感，所以输出的光强会随时间抖动。但是由于到达探测器的光能量很充足，一般探测相对比较简单，并且信噪比很好。另外，这种设备很适合测量大的折射率幅度。与MMF相比，SMF的透射曲线中共振波长处的凹陷更窄，因此，灵敏度更好。 尾端加工过的光纤SPR传感器通常用作基于反射的局部SPR光纤探测器，其他类型的SPR传感器则是传输型的。 要发展SPR光纤传感器，我们首先要把倏逝波引导到光纤纤芯和包层的分界面处。为了达到这个目的，可以把光纤的包层通过化学腐蚀，精确的火焰控制加热、打磨等方法部分或者全部的去掉。另一个运用倏逝波的方法是细化光纤，当光纤被火焰加热的时候拉伸以细化。 在把光纤纤芯区域暴漏出来以后，需要把金属膜覆盖在裸露的纤芯上面。SPR传感系统中用到的金属通常是金或者银。当传感层的折射率发生变化的时候，金的共振参量变化大，并且化学性能稳定;在透射波谱上银的共振凹陷窄，因此SPR传感的灵敏度很高，但是在空气中不稳定，特别是在水中更加不稳定。因此如果要把银用在实际传感器中，必须在它的表面镀一层薄而密的覆盖层。 为了设计和分析传感器，我们需要知道金属薄膜的介电常数的散射。在大多数SPR传感器中，波长范围为400纳米到800纳米，或者是在1500纳米附近。可以从参考文献中查到金属的介电常数。Drude模型可以用来分析金属的散射，表示为: 2,p()=, ,,,,()i，,,,d ,,,其中是高频介电常数方程，是等离子体的频率，是衰减频率。对金属纳米颗p,d ,粒层，因为存在附加的表面散射需要依据所用的微粒的尺寸进行修正，: d ,f ()()Rbulk,，,,ddR ,是费米速度。 其中，R是微粒的尺寸，f 一般所说的SPR传感器，当外界折射率变化一个单位(RIU)的时候，共振波长偏移34nm。灵敏度和共振波长可以通过改变薄膜的材料，金属薄膜的厚度和覆盖层的厚10~10 度来进行一定范围的调整。 金属层的厚度对SPR光纤传感器来说是一个至关重要的参量。要获得灵敏度高的SPR传感器，必须使得透射波谱的共振凹陷深并且尖锐。因此要提高传感器的性能，必须优化金属层的厚度。例如，在有金属膜的D型SPR光纤传感器中，如果增加金属膜的厚度，共振波长将会向长波漂移，凹陷处会变得更加窄。然而共振波长处的传输功率凹陷将会变浅。这表明金属薄膜应该薄一点，因为倏逝波在金属层中成指数衰减，当厚度增加时，SPR会变弱。 通过减少感应区的长度也可以在透射光谱中得到深的共振凹陷。长的感应区增加了金属对传输光的吸收，导致深的共振凹陷和灵敏度的降低。因此，在制作光纤SPR传感器的时候应该使得感应区尽可能的短来获得高的灵敏度和解析度。值得注意的是，如果剩余的包层厚度超过几微米的话，倏逝波和SPW耦合就会变得困难，共振凹陷就会变浅。 SPR传感器中所用的覆盖层也会影响共振波长。覆盖层是用来保护银的表面的。另一方面，覆盖层也可以用来调整共振波长。有人已经提出了光纤表面金银双层的结构[51]。与金膜相似，这种结构共振参量偏移量很高;另一方面又表现与银相似的很窄的共振凹陷，因此在保护银氧化的同时表现出高的解析度。 覆盖层也会影响对折射率的探测范围。没有覆盖层的话，如果被测区的折射率高于纤芯的，导波就会泄露出光纤。这就限制了对折射率的测量范围。因此，在纤芯上覆盖一层高折射率的物质可以使探测范围就提高到一个新的水平。使用高折射率材料作为纤芯的光纤也可以达到同样的效果。 1.4 新型SPR光纤传感器结构 光纤SPR传感器最重要的参数是灵敏度。设计各种结构首先要使得纤芯的光和包层的光发生耦合并且满足相位匹配条件，即首先要产生表面等离子体共振。科学家提出使用光栅来实现。He等提出使用级联的长周期光栅结构[65]，理论计算表明可以满足相位条件。Tang[66]等在光纤SPR传感器中使用长周期光栅来测量化学溶液的浓度以及在纳米颗粒表面无标记的探测生物细胞的融合。它的灵敏度可以达到-23.45nm/RIU,远远高于普通的LPG折射率传感器。Nemova and Kashyap 提出使用光纤布拉格光栅(FBG)。由于FBG不能把纤芯模耦合到包层模，因此采用FBG时要对光纤结构进行特殊设计。其他类型的光栅，例如倾斜光栅【69】，金属光栅【70】也已经被采用。这两种光栅的透射谱中有多个峰值，很难设定参考波长，但是它们的共振凹陷很尖锐，信噪比高。与传统的SPR传感器相比，光 23栅SPR光纤传感器的灵敏度稍微低一点，为10~10nm/RIU. 图8(b)所示为为了提高SPR效应设计的级联单边抛光光纤。在第一个SPR感应区域内导波光的TM模式迅速耗尽，在两个感应区之间TE模式的一半耦合进TM模式，在第二个感应区内TM模式变多并再次被耗尽。这种设计使得透射谱中的共振凹陷更理想。 通过使用2个LED可以提高传感器的性能。测量两个波长处的折射率的差可以使灵敏 -4度翻一番，达到5.2*10RIU. 许多科学家提出了基于PCF的SPR传感器，它的原理是顺着金属化的微结构把纤芯泄露模耦合进SPP模式。2008年，Hautakropi等提出并理论分析了基于三孔微结构光纤的SPR 传感器，微结构的孔都附着了金薄膜。数值分析结果显示这种结构光损耗很小，并且解析度 ,4可以达到RIU。在这之前，Hassani等提出了使用微溶液微结构的光纤SPR传感器，灵10 ,4RIU，结构导致透射光的强度变化1%。除此之外还有多种多样的基于PCF的SPR敏度为10 传感器。【74-76，81】。 2 微米纳米微结构光纤传感器 微结构的光纤包括PCF和其他在光纤尾部或者侧面有纳米结构的光纤等。根据电介质在横截面分布的不同，PCF可以分为:光子带隙光纤，多孔光纤，孔辅助光纤，和布拉格光纤等。PCF中周期性的电介质结构的周期在波长的量级，使得光子带隙增加。当入射光的波长在带隙范围内时，入射光不能穿过光子晶体区域，因此透射波谱存在着很宽的带隙。通过局部破坏纤芯的周期，在带隙内可以产生光子缺陷模式，使得透射谱中的透射峰相对很尖锐。透射峰中心在波谱中的位置对外界局部环境的变化很敏感。如果液体或者气体分子被缺陷束缚的话，局部的环境如折射率会发生变化。这可以用来探测信号的转化。由于光子带隙对光的限制作用非常强，并且通过精确的调整结构参数可以改变光子带隙中的缺陷模式的波长，因此PCF传感器有很好的应用前景。 2.1 微结构光纤传感器的结构和性能。 通过部分的去除光纤的包层得到的D型光纤可以增强导波光与外部物质的相互作用。很多科学家都致力于研究D型光纤的制造和应用。Gaston等运用单边抛光单模光纤做出了 :温度、相对湿度、pH传感器[83]。传感器对温度的灵敏度为8dB/C，湿度灵敏度为0.5dB，当pH从2变化到11时，输出功率变化15dB。Chandani和Jaeger的温度传感器使用稀释的氢氟酸腐蚀得到的D型光纤[85]。在保持纤芯边缘和平面的距离恒定的前提下，这种方法得到的D型光纤干涉距离要长很多。Franco等把单边抛光的做法应用到微结构光纤中[86]。通过减小切割平面附近的孔的直径(如图9)可以提高倏逝波和外部介质的耦合效率，从而提 :高对外母折射率变化的灵敏度。在最佳的参数设计下，温度探测范围为185C，灵敏度为 :0.1~0.38dB/C。 图9 单边抛光的微结构光纤:靠近切面处的孔直径小 多孔PCF传感器的纤芯是中空的，包层中有很多孔。这些孔都充满了气体或者液体的被测物。光波和被测物的相互作用使得传输特性发生变化。与D型微结构光纤相比，由于多孔PCF的干涉距离长，对模式的限制作用强，所以所用的样品很少。缺点是填灌被测物有点困难，准备时间长。 对细化结构或者啁啾PCF光纤传感器的研究也很多。人们提出了一种微细化的PCF气 体传感器(图10)[97]，这种微细化的光线只支持两个相对高阶模。把有三个气孔的PCF细化套3~5微米的时候，光纤中只存在两个高阶模(和)。这两个模式的传播常HEHE0506 数相差很大，因此干涉周期很短。在细化区域外的空气分子会导致折射率的变化，使得干涉类型也发生变化。这种方法的一个优点是不需要在气孔中填充被测物。 图10 气体探测用的微细化结构的PCF Pisco等提出了啁啾FBG的结构，其中包括一个啁啾布拉格光栅和一个或者多个缺陷[98]。通过改变覆盖层薄化区域周围的折射率，可以改变纤芯的传播特性，从而导致折射率 ,5,4和。虽然和其他方法相谱的变化。在周围折射率为1.45和1.33时，灵敏度分别为1010 比，折射率有点低，但这种方法成本低，并且在化学探测中可以使用多点折射计。 科学家在试验中提出了基于有缺陷孔的纯硅PCF光纤的倏逝场吸收传感器(见图11)[99]。由于空气孔和气体液体渗透之间的作用区域很大，倏逝场被显著地增强，因此这种装置的灵敏度要高很多。作为吸收体，不同浓度的CoCl(0.01~0.50Mol)被添加入光纤。透2 射谱显示随着CoCl浓度的增加吸收增强。并且纵向探测的灵敏度要比垂直的高将近60倍。 2 图10:基于缺陷孔的纯硅PCF光纤倏逝场吸收传感器 众所周知，气体对光的吸收峰一般在中红外范围(大约3微米)。在这个波长范围大多数光纤都不支持导波模。因此要与近红外光干涉，需要更高的吸收模式，更长的干涉距离以及高灵敏的探测技术。Gayraud等提出了新型的PBF设计[100]，在3200纳米处探测甲烷。通过使用飞秒光参量振荡器作为光源和傅里叶变化红外光谱计，可以探测出1000ppm的甲烷。他们预测，通过使用新型光源可以把灵敏度提高到50ppm。 在PCF内雕刻长周期光栅(LPG)可以释宪案纤芯模和包层模的模式耦合，提高灵敏 度。Zhu等通过数值模拟方法测试了单模LPG-PCF的折射率灵敏度【102】。结果显示，由 ,8于倏逝场能够有效的覆盖被测物，灵敏度可以达到RIU。同时，飞秒激光处理领域的新10 技术被用来制造微流体设备。在阶跃光纤中写入的微流体通道可以改变纤芯导波光的散射特 性。利用这一特性，Petrovic等提出了一种微缝折射率传感器【104】。利用的原理是当阶跃 光纤的微缝的折射率变化时光纤中的传输特性会发生改变。通过在尺寸和形状上的优化处理 这种传感器可以用在很多特殊的场合。 总结 本文介绍了光纤SPR传感器的原理，影响灵敏度的因素，各种不同的结构包括加入微结构 的光纤SPR传感器。另外简要概括了近年来信出现的PCF传感器，介绍了几种新型的结构、 基本原理、可以达到的技术水平以及应用。光纤SPR传感器和PCF传感器具有独特的优点， 特别是加入微结构以后，表现出了很多优良的特性，对它们的研究肯定会进一步深入。 参考文献: [ 51 ] K. 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