1、.微米納米微結構光纖傳感器的研究現狀摘要：介紹了最近發展起來的微米納米微結構光纖傳感器，特別是表面等離子體共振光纖傳感器和光子晶體光纖傳感器。介紹了表面等離子共振傳感器的原理，影響參量以及各種不同的結構。同時介紹了不同類型的光子晶體光纖傳感器和它們的應用。關鍵字： 表面等離子共振傳感器 表面等離子振蕩 光子晶體光纖 光纖傳感器對光纖傳感器的研究已經有很長一段時間了，從研究的角度看很多光纖傳感技術已經趨于成熟，一些已經商業化了。然而隨著最近在表面等離子共振（SPR）和光子晶體光纖（PCF）技術上取得的巨大進展，微米結構和納米結構的光纖傳感器的研究引起了研究者巨大的興趣。這篇文章首先介紹SPR的原

2、理和光纖SPR傳感器的結構，影響其靈敏度的因素等；然后介紹不同類型的PCF傳感器以及簡單應用。1. 表面等離子共振光纖傳感器表面等離子共振現象應用在傳感器系統中已經很長時間了。光纖SPR傳感器的發展始于上世紀90年代初。盡管1990年就有文章提出用光纖作為SPR傳感器的耦合器件，真正意義上用光纖作為傳感器頭部的光纖SPR傳感器出現在1993年。隨后，光纖SPR傳感器就得到了人們持續的關注和研究。光纖SPR傳感器可以探測外部折射率的變化，并且通過調整金屬層和覆蓋層的厚度等參數可以優化傳感器的性能。1.1 光纖表面等離子傳感器的原理如圖1所示，在金屬和電介質或者空氣的界面處，由于電子濃度的梯度分布

3、，存在著自由電子的濃度振蕩，當其與電磁波耦合時就會產生表面等離子振蕩（SPPs）。表面等離子體波(SPWs)沿著金屬和電介質的界面向前傳播。 由于表面正常電場成分的存在，只有TM模可以激發SPR。SPPs的一個重要的特征就是在金屬和電介質層的交界處，電場的振幅為最大值，在兩邊的材料內按照指數衰減，如圖1（b）所示。造成這個獨特的特性的原因是對光來說，金、銀、銅、鋁等金屬的介電常數是負的（金屬的介電常數是復數，其實部是負數），而電介質的介電常數是正的。在眾多金屬中，銀有最尖銳的SPR共振峰，而金則有卓越的表面穩定性，這兩種金屬最常被應用。 *;圖2 激發SPR的方法有很多種，例如棱鏡耦合，波導耦

4、合，光纖耦合以及光柵耦合等。最常用的方法是棱鏡耦合的衰減全發射，就是所謂的Kretschmann方法。圖2所示為Kretschmann結構：高折射率棱鏡的折射率為np ，底部覆蓋一層介電常數為，厚度為d的金屬薄膜，金屬膜外面是折射率為（<）的電介質,。在棱鏡中傳播的光線入射到金屬薄膜時，如果入射角大于由和的關系決定的臨界角時，光線基本上全部反射回棱鏡。倏逝波則穿透進入金屬薄膜（因為薄膜很薄，一般小于100納米），因此在金屬和電介質的界面處依然有電場存在。在滿足相位匹配條件的時候，這就可能在界面處激發出表面等離子共振波，SPW隨后沿著分界面向前傳播。SPWs的傳播常數與電介質的關系式可以表

5、示為為 其中，和分別是電介質和金屬的介電常數，是真空中的波長，在棱鏡和金屬界面處的倏逝波的傳播常數，是圖2中所示的光線的入射角。如果和相等，SPWs就會被激發。我們注意到在金屬和棱鏡界面處（M/P）沒有SPW。SPWs只會在<的情況下出現在金屬和電介質的界面處（M/D）。 穿透金屬的倏逝波在M/D界面處引發發生表面等離子振蕩，使得光被輻射回金屬。這些光線與反射光發生相消干涉，使得總的反射光減少。在理想狀況下，總反射變為0，所有的透射光轉化為M/D表面處的SPWs。在一般的絕緣體-金屬-絕緣體結構中，對稱的和不對稱的SPP模式都是可能存在的，然而在Kretschmann激發模式中，這些模式

6、不可能存在。圖3 SPW也可以被金屬表面的光柵激發出來，如圖3所示。如果光柵衍射光的波矢與光柵表面平行，并且和SPPs的傳播常數相等的話，光就會被耦合進SPW，如下面方程所示：，其中m是代表衍射級數的整數，是光柵周期。由于在光柵耦合中，入射光直接照在金屬表面，因此樣品層或者樣品液必須是光學透明以便光線通過。這種方法也可以反過來用，即利用光柵把SPWs轉化成光。光纖SPR傳感器和Kretschmann棱鏡結構大體一致，只不過棱鏡被一個光纖的纖芯所替代，如圖4所示。圖4顯示了光纖SPR傳感器的基本結構，光纖的包層被去掉，纖芯對稱的被金屬層覆蓋。光纖可以輕松靈活的激發出SPW。從上面的方程我們可以得

7、到：（4） 圖4是光纖纖芯的折射率，是樣品媒質的介電常數。由于SPWs存在于金屬和樣品媒質的界面處，因此對界面處條件的任何變化如金屬表面吸收分子非常敏感。上面覆蓋層折射率的變化將導致SPW傳播常數的改變，這個可以通過與SPW干涉的光波的特性的改變觀察到。在方程4中，的變化導致SPR角度或者波長的變化。當角度和波長固定的時候，的變化由于破壞了相位匹配條件，將導致反射光強的變化。總體來說，檢測共振波長或者共振角的光纖SPR傳感器是應用最廣泛的。上面已經指出，SPWs的光場在界面處最大，在兩側的金屬和電介質中迅速衰減。在電介質中的穿透深度（定義為場強衰減到最大值的exp（-1）時的深度）可以表示為：

8、 . (5)表1顯示出不同的金屬，電介質，波長時的介電常數和穿透深度。633nm1550nm金屬電介質銀（0.135+i3.99）金(0.197+i3.09)金屬電介質銀(0.469+i9.32)金(0.559+i9.81)空氣（1.00）水(1.33)二氧化硅(1.54)1.2 光纖SPR傳感器的優缺點和靈敏度與傳統的傳感器相比，SPR傳感器有很多優點。首先，SPR傳感器靈敏高，響應速度快幾倍，感應區域小（SPW典型的傳輸距離在微米量級）。另外，SPR傳感器，特別是金屬納米顆粒傳感器，同時存在LSPR效應和表面增強的拉曼散射（SERS）。通過SERS，對粘合的東西的探測以及被分析物的定性，即

9、使是在生物研究中的單個分子的水平也是可能的。盡管基于棱鏡的SPR傳感器是最方便的SPR裝置，但它體積大并且包括很多光學和機械部分，使得系統優化和商業化以及大規模的遠程傳感很難實現。通過使用光纖可以使得SPR傳感器系統小型化。使用光纖的一個重要的原因就是它的直徑很小，使得可以用在很小容積的情況下。其他的優勢包括光學設計的簡單化以及遠程感應的能力。然而，光纖SPR傳感器也有一些缺點。與棱鏡裝置不同，其入射角不能被控制，使得透射光譜中的感應曲線展寬，導致靈敏度和可探測極限下降。用單模光纖（SMF）代替多模光纖（MMF）可以提高傳感器的性能。另一個缺點是很難對光纖SPR傳感器進行理論分析。一般采用平面

10、結構近似或者理想的對稱圓柱假想設進行理論分析。雖然通過進行精確的三維分析和平行計算可以做出一個完整的三維數值分析，但是這相當消耗時間的。基于棱鏡的SPR裝置中，一般使用單色的光源，調制入射角是；光纖SPR傳感器與之不同，它可以使用白光作為光源。這樣就有一個很寬的光譜范圍來探測共振波長。光纖中的入射角被纖芯-包層的全反射角所限制。盡管可以用單色光并且探測它在光纖中的傳輸強度的變化，但如果用寬帶的白光，就可以在透射光譜強度分布中監測共振波長的變化。如圖5所示，透射光功率譜中可以觀察到在共振波長處有一個很尖銳的凹陷。當探測區域的折射率變化時，共振波長會產生漂移。如果折射率變化量是，共振波長變化量是，

11、則SPR傳感器的靈敏度S就可以定義為 圖5為了計算靈敏度，可以畫成是的函數，那么斜率就是傳感器的靈敏度。SPR共振波長探測的準確性依賴于透射光譜中響應曲線的寬度。這表明寬度越窄，準確度越高。1.3 影響光纖SPR傳感器性能的因素下面，我們研究影響SPR光纖傳感器性能的參數。首先，如圖6和表2所示，現在多種多樣的SPR光纖傳感器結構，例如對稱的結構有簡單的被金屬覆蓋的有包層光纖和無包層光纖，細光纖；不對稱的結構有單面拋光光纖（D型光纖），單邊鍍膜的有包層光纖和無包層光纖。它們都可能包含覆蓋層或者多層結構。覆蓋層是附著在金屬層上面的一層，可以有效的改變光纖SPR傳感器的測量范圍。許多SPR光纖傳感

12、器采用的更進一步改進的結構，例如利用各種類型的光柵，異芯光纖，納米微孔等。圖6：各種SPR光纖傳感器的結構圖：(a)D型光纖(b) 無包層光纖（c）尾端反射鏡（d）尖尾端 （e）細化光纖由于多模光纖SPR傳感器對機械擾動很敏感，所以輸出的光強會隨時間抖動。但是由于到達探測器的光能量很充足，一般探測相對比較簡單，并且信噪比很好。另外，這種設備很適合測量大的折射率幅度。與MMF相比，SMF的透射曲線中共振波長處的凹陷更窄，因此，靈敏度更好。尾端加工過的光纖SPR傳感器通常用作基于反射的局部SPR光纖探測器，其他類型的SPR傳感器則是傳輸型的。 要發展SPR光纖傳感器，我們首先要把倏逝波引導到光纖纖

13、芯和包層的分界面處。為了達到這個目的，可以把光纖的包層通過化學腐蝕，精確的火焰控制加熱、打磨等方法部分或者全部的去掉。另一個運用倏逝波的方法是細化光纖，當光纖被火焰加熱的時候拉伸以細化。在把光纖纖芯區域暴漏出來以后，需要把金屬膜覆蓋在裸露的纖芯上面。SPR傳感系統中用到的金屬通常是金或者銀。當傳感層的折射率發生變化的時候，金的共振參量變化大，并且化學性能穩定；在透射波譜上銀的共振凹陷窄，因此SPR傳感的靈敏度很高，但是在空氣中不穩定，特別是在水中更加不穩定。因此如果要把銀用在實際傳感器中，必須在它的表面鍍一層薄而密的覆蓋層。為了設計和分析傳感器，我們需要知道金屬薄膜的介電常數的散射。在大多數S

14、PR傳感器中，波長范圍為400納米到800納米，或者是在1500納米附近。可以從參考文獻中查到金屬的介電常數。Drude模型可以用來分析金屬的散射，表示為：其中是高頻介電常數方程，是等離子體的頻率，是衰減頻率。對金屬納米顆粒層，因為存在附加的表面散射需要依據所用的微粒的尺寸進行修正，：其中，R是微粒的尺寸，是費米速度。一般所說的SPR傳感器，當外界折射率變化一個單位（RIU）的時候，共振波長偏移nm。靈敏度和共振波長可以通過改變薄膜的材料，金屬薄膜的厚度和覆蓋層的厚度來進行一定范圍的調整。金屬層的厚度對SPR光纖傳感器來說是一個至關重要的參量。要獲得靈敏度高的SPR傳感器，必須使得透射波譜的共

15、振凹陷深并且尖銳。因此要提高傳感器的性能，必須優化金屬層的厚度。例如，在有金屬膜的D型SPR光纖傳感器中，如果增加金屬膜的厚度，共振波長將會向長波漂移，凹陷處會變得更加窄。然而共振波長處的傳輸功率凹陷將會變淺。這表明金屬薄膜應該薄一點，因為倏逝波在金屬層中成指數衰減，當厚度增加時，SPR會變弱。通過減少感應區的長度也可以在透射光譜中得到深的共振凹陷。長的感應區增加了金屬對傳輸光的吸收，導致深的共振凹陷和靈敏度的降低。因此，在制作光纖SPR傳感器的時候應該使得感應區盡可能的短來獲得高的靈敏度和解析度。值得注意的是，如果剩余的包層厚度超過幾微米的話，倏逝波和SPW耦合就會變得困難，共振凹陷就會變淺

16、。SPR傳感器中所用的覆蓋層也會影響共振波長。覆蓋層是用來保護銀的表面的。另一方面，覆蓋層也可以用來調整共振波長。有人已經提出了光纖表面金銀雙層的結構51。與金膜相似，這種結構共振參量偏移量很高；另一方面又表現與銀相似的很窄的共振凹陷，因此在保護銀氧化的同時表現出高的解析度。 覆蓋層也會影響對折射率的探測范圍。沒有覆蓋層的話，如果被測區的折射率高于纖芯的，導波就會泄露出光纖。這就限制了對折射率的測量范圍。因此，在纖芯上覆蓋一層高折射率的物質可以使探測范圍就提高到一個新的水平。使用高折射率材料作為纖芯的光纖也可以達到同樣的效果。 1.4 新型SPR光纖傳感器結構 光纖SPR傳感器最重要的參數是靈

17、敏度。設計各種結構首先要使得纖芯的光和包層的光發生耦合并且滿足相位匹配條件，即首先要產生表面等離子體共振。科學家提出使用光柵來實現。He等提出使用級聯的長周期光柵結構65，理論計算表明可以滿足相位條件。Tang66等在光纖SPR傳感器中使用長周期光柵來測量化學溶液的濃度以及在納米顆粒表面無標記的探測生物細胞的融合。它的靈敏度可以達到-23.45nm/RIU,遠遠高于普通的LPG折射率傳感器。Nemova and Kashyap 提出使用光纖布拉格光柵（FBG）。由于FBG不能把纖芯模耦合到包層模，因此采用FBG時要對光纖結構進行特殊設計。其他類型的光柵，例如傾斜光柵【69】，金屬光柵【70】也

18、已經被采用。這兩種光柵的透射譜中有多個峰值，很難設定參考波長，但是它們的共振凹陷很尖銳，信噪比高。與傳統的SPR傳感器相比，光柵SPR光纖傳感器的靈敏度稍微低一點，為102103nm/RIU. 圖8(b)所示為為了提高SPR效應設計的級聯單邊拋光光纖。在第一個SPR感應區域內導波光的TM模式迅速耗盡，在兩個感應區之間TE模式的一半耦合進TM模式，在第二個感應區內TM模式變多并再次被耗盡。這種設計使得透射譜中的共振凹陷更理想。通過使用2個LED可以提高傳感器的性能。測量兩個波長處的折射率的差可以使靈敏度翻一番，達到5.2*10-4RIU.許多科學家提出了基于PCF的SPR傳感器，它的原理是順著金

19、屬化的微結構把纖芯泄露模耦合進SPP模式。2008年，Hautakropi等提出并理論分析了基于三孔微結構光纖的SPR傳感器，微結構的孔都附著了金薄膜。數值分析結果顯示這種結構光損耗很小，并且解析度可以達到RIU。在這之前，Hassani等提出了使用微溶液微結構的光纖SPR傳感器，靈敏度為RIU，結構導致透射光的強度變化1%。除此之外還有多種多樣的基于PCF的SPR傳感器。【74-76，81】。2 微米納米微結構光纖傳感器 微結構的光纖包括PCF和其他在光纖尾部或者側面有納米結構的光纖等。根據電介質在橫截面分布的不同，PCF可以分為：光子帶隙光纖，多孔光纖，孔輔助光纖，和布拉格光纖等。PCF中

20、周期性的電介質結構的周期在波長的量級，使得光子帶隙增加。當入射光的波長在帶隙范圍內時，入射光不能穿過光子晶體區域，因此透射波譜存在著很寬的帶隙。通過局部破壞纖芯的周期，在帶隙內可以產生光子缺陷模式，使得透射譜中的透射峰相對很尖銳。透射峰中心在波譜中的位置對外界局部環境的變化很敏感。如果液體或者氣體分子被缺陷束縛的話，局部的環境如折射率會發生變化。這可以用來探測信號的轉化。由于光子帶隙對光的限制作用非常強，并且通過精確的調整結構參數可以改變光子帶隙中的缺陷模式的波長，因此PCF傳感器有很好的應用前景。2.1 微結構光纖傳感器的結構和性能。 通過部分的去除光纖的包層得到的D型光纖可以增強導波光與外

21、部物質的相互作用。很多科學家都致力于研究D型光纖的制造和應用。Gaston等運用單邊拋光單模光纖做出了溫度、相對濕度、pH傳感器83。傳感器對溫度的靈敏度為8dB/C，濕度靈敏度為0.5dB，當pH從2變化到11時，輸出功率變化15dB。Chandani和Jaeger的溫度傳感器使用稀釋的氫氟酸腐蝕得到的D型光纖85。在保持纖芯邊緣和平面的距離恒定的前提下，這種方法得到的D型光纖干涉距離要長很多。Franco等把單邊拋光的做法應用到微結構光纖中86。通過減小切割平面附近的孔的直徑（如圖9）可以提高倏逝波和外部介質的耦合效率，從而提高對外母折射率變化的靈敏度。在最佳的參數設計下，溫度探測范圍為1

22、85C，靈敏度為0.10.38dB/C。圖9 單邊拋光的微結構光纖：靠近切面處的孔直徑小多孔PCF傳感器的纖芯是中空的，包層中有很多孔。這些孔都充滿了氣體或者液體的被測物。光波和被測物的相互作用使得傳輸特性發生變化。與D型微結構光纖相比，由于多孔PCF的干涉距離長，對模式的限制作用強，所以所用的樣品很少。缺點是填灌被測物有點困難，準備時間長。對細化結構或者啁啾PCF光纖傳感器的研究也很多。人們提出了一種微細化的PCF氣體傳感器（圖10）97，這種微細化的光線只支持兩個相對高階模。把有三個氣孔的PCF細化套35微米的時候，光纖中只存在兩個高階模（和）。這兩個模式的傳播常數相差很大，因此干涉周期很

23、短。在細化區域外的空氣分子會導致折射率的變化，使得干涉類型也發生變化。這種方法的一個優點是不需要在氣孔中填充被測物。圖10 氣體探測用的微細化結構的PCFPisco等提出了啁啾FBG的結構，其中包括一個啁啾布拉格光柵和一個或者多個缺陷98。通過改變覆蓋層薄化區域周圍的折射率，可以改變纖芯的傳播特性，從而導致折射率譜的變化。在周圍折射率為1.45和1.33時，靈敏度分別為和。雖然和其他方法相比，折射率有點低，但這種方法成本低，并且在化學探測中可以使用多點折射計。科學家在試驗中提出了基于有缺陷孔的純硅PCF光纖的倏逝場吸收傳感器（見圖11）99。由于空氣孔和氣體液體滲透之間的作用區域很大，倏逝場被

24、顯著地增強，因此這種裝置的靈敏度要高很多。作為吸收體，不同濃度的（0.010.50Mol）被添加入光纖。透射譜顯示隨著濃度的增加吸收增強。并且縱向探測的靈敏度要比垂直的高將近60倍。圖10：基于缺陷孔的純硅PCF光纖倏逝場吸收傳感器眾所周知，氣體對光的吸收峰一般在中紅外范圍（大約3微米）。在這個波長范圍大多數光纖都不支持導波模。因此要與近紅外光干涉，需要更高的吸收模式，更長的干涉距離以及高靈敏的探測技術。Gayraud等提出了新型的PBF設計100，在3200納米處探測甲烷。通過使用飛秒光參量振蕩器作為光源和傅里葉變化紅外光譜計，可以探測出1000ppm的甲烷。他們預測，通過使用新型光源可以把

25、靈敏度提高到50ppm。在PCF內雕刻長周期光柵（LPG）可以釋憲案纖芯模和包層模的模式耦合，提高靈敏度。Zhu等通過數值模擬方法測試了單模LPG-PCF的折射率靈敏度【102】。結果顯示，由于倏逝場能夠有效的覆蓋被測物，靈敏度可以達到RIU。同時，飛秒激光處理領域的新技術被用來制造微流體設備。在階躍光纖中寫入的微流體通道可以改變纖芯導波光的散射特性。利用這一特性，Petrovic等提出了一種微縫折射率傳感器【104】。利用的原理是當階躍光纖的微縫的折射率變化時光纖中的傳輸特性會發生改變。通過在尺寸和形狀上的優化處理這種傳感器可以用在很多特殊的場合。總結本文介紹了光纖SPR傳感器的原理，影響靈

26、敏度的因素，各種不同的結構包括加入微結構的光纖SPR傳感器。另外簡要概括了近年來信出現的PCF傳感器，介紹了幾種新型的結構、基本原理、可以達到的技術水平以及應用。光纖SPR傳感器和PCF傳感器具有獨特的優點，特別是加入微結構以后，表現出了很多優良的特性，對它們的研究肯定會進一步深入。參考文獻： 51 K. Balaa, M. Kanso, S. Cuenot, T. Minea, G. Louarn, Experimental realization and numerical simulation of wavelength-modulated fiber optic sensor base

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