透射式金属光栅耦合SPR传感器

用磁控溅射技术在双面抛光的蓝宝石衬底上沉积了20 nm Ti和100 nm Au的金属薄膜,通过标准光刻工艺制备出1.6和2.0μm两种周期结构的一维光栅表面等离子体共振(SPR)传感器。用时域有限差分算法(FDTD)模拟仿真并结合实验测试的透射光谱,研究分析了不同周期结构的金属薄膜光栅型SPR传感器的特性。基于金属光栅耦合,利用表面等离子体激元(SPP)的局域特性和光栅的选频特性,实现了SPR传感器的信号增强和滤波功能。研究结果表明,利用金属薄膜光栅表面介质的变化引起的光栅透射光谱中激发表面等离子体共振峰的位置变化,可以获得被测物体的物理、生物和化学等相关特征信息。     

基于光栅的表面等离子体共振传感器的原理及进展

基于光栅的表面等离子体共振(SPR)传感技术是近年来光纤传感领域的研究热点.论述了SPR传感器的工作原理、调制方式和光栅耦合式SPR传感器的理论.介绍了该领域的研究成果,包括利用光纤布拉格光栅(FBG)的空芯光纤SPR传感器、利用FBG或长周期光栅(LPG)的普通光纤SPR传感器、利用平面波导光栅的SPR传感器、利用金...     

金属膜衬底上亚波长介质光栅结构的特性及传感应用

提出亚波长介质光栅-金属膜-石英玻璃衬底结构,根据等效介质理论该结构可等效为由金属-光栅-包覆层构成的单面金属包覆波导,在入射波长和入射角满足一定条件时,发生导模共振(GMR)从而产生光波全吸收现象。根据严格耦合波分析(RCWA)理论进行数值分析发现,等效波导中的TM1 GMR峰尖锐,并且对光栅包覆层的折射率变化非常敏感,角度灵敏度为127.87°/RIU(RIU为折射率单位),波长灵敏度为409.35 nm/RIU,在很大的折射率范围内线性度良好。与全介质GMR传感器和光栅型表面等离子体共振(SPR)传感器相比,该结构通过GMR实现较高灵敏度的同时,其较窄的共振峰使得检测精度更高。     

光纤表面等离子体共振光化学传感器的原理及进展

以光纤传输技术和表面等离子体共振(SPR)技术有机结合的光纤表面等离子体共振传感器,是实现微量生物和化学活性物质定量测定的重要技术之一.介绍了光纤SPR传感器的结构,工作原理和调制方式.在最新进展中,介绍了现在应用广泛的分布式光纤SPR化学传感器,以及倾斜光栅和光子晶体这两种结构比较新颖的光纤SPR化学传感器.最后给出光纤SPR传感器的发展方向.     

基于色相算法的表面等离子体共振成像传感器

本文报道了一种基于色相算法的彩色表面等离子体共振(SPR)成像传感器,该传感器不仅能够对发生于SPR芯片表面的物理化学反应进行直观的图像观测,还能基于色相算法对这些表面反应进行定量分析。利用自制的波长/图像同步检测型SPR传感器,实验获得了不同共振波长对应的共振图像,然后借助色相算法求得每一幅共振图像对应的二维色相分布及其平均色相,建立了共振波长与图像平均色相的依赖关系,用于优化基于色相参数的SPR折射率灵敏度。实验选择起始共振波长为650nm,测得基于色相的折射率灵敏度为3 338/RIU,是基于共振波长的折射率灵敏度的1.49倍。利用彩色SPR成像技术能够直观地观测到金膜表面涂布的聚四氟乙烯薄膜的不均匀性,再通过计算图像局部区间的平均色相,可以定量获得不同薄膜厚度对应的折射率灵敏度。实验结果证明了基于色相算法的彩色SPR成像传感器明显优于常规SPR传感器。     

两类典型光纤型SPR传感器的理论模型比较

针对基于SPR效应的两类典型光纤型传感器:传统型包层腐蚀的镀金属多模光纤传感器、新型镀金属单模光纤光栅传感器,指出其不同的SPR模型处理方法及传感特性。首先,根据传统型SPR光纤传感器的结构特点,利用平板SPR理论给出反射谱特性,同时指出并证明薄膜光学理论在平板SPR结构中与平板SPR理论的等价性。其次,针对新型SPR光纤光栅传感器结构特点,依据模式耦合思想,结合SPW模式特征,提出了光纤光栅SPR结构的理论处理方法,得到了镀金膜三包层LPFG结构的透射谱。最后,对基于SPR效应的两类典型光纤型传感器的传感特性进行了比较分析,结果表明,两类传感器对环境折射率均具有较高的分辨率,但新型光纤光栅SPR传感器的分辨率高出传统SPR光纤传感器3个数量级。     

波长检测型表面等离子体共振传感器的实验研究

介绍了表面等离子体共振(SPR)传感器的工作原理,设计了一套基于波长检测型Kretschmann结构的SPR传感测试系统。通过固定入射光角度,以波长为变量,测定了10种不同浓度的乙醇水溶液折射率与共振波长之间的对应关系。实验结果表明,共振波长随着样品折射率的增大而逐渐向长波长方向偏移,且两者之间呈现良好的线性关系。通过对共振光谱的分析,实现对未知溶液折射率或者浓度的测定。整个传感器系统具有结构紧凑、操作简单、实时检测和测量准确等优点。     

表面等离子共振传感器用于酒精溶液浓度的测量

采用自行搭建的基于表面等离子共振原理的传感器系统,研究了作为敏感层的不同银膜厚度对表面等离子共振敏感度的影响,并给出了最佳的银膜层厚度.根据表面等离子共振(SPR)现象对金属表面介质折射率极为敏感的特点,在固定波长为632.8 nm的He-Ne激光入射下,利用厚度为50 nm的银薄膜作为敏感层的SPR传感器来测量不同浓度的酒精溶液.通过采用玻尔兹曼方程拟合方法,得出已知酒精溶液的浓度与SPR共振角的关系,从而实现对未知酒精溶液浓度的测量.实验证明测量的浓度分辨率可达0.5%.

Abstract：

Based on surface plasmon resonance (SPR) sensor system, the influence of the Ag-film thickness on the resonance sensitivity was presented. The result shows that the optimal thickness of Ag-film as the sensitive layer of SPR sensor system is about 50 nm. In addition, according to the property that SPR is sensitive to the refractivity of the medium on metal surface, different concentrations of alcohol solution were measured in the experiments at the angular interrogation mode of SPR. The relation between the known concentrations of alcohol solution and its SPR resonance angles was obtained with Boltzmann equation. Consequently, the SPR sensor can be adopt to measure the concentration of alcohol solution and the measuring sensitivity reaches 0.5 %.     

光纤SPR传感器参数对折射率测量灵敏度的影响

为了研究光纤表面等离子体共振(SPR)传感器参数对折射率测量灵敏度的影响，采用双频激光外差干涉相位测量光路结合光纤型SPR传感器进行了折射率测量，并对光纤SPR传感器不同纤芯直径对传感器灵敏度影响进行了分析。在光纤SPR传感器适应的折射率范围内，分别使用纤芯直径为300μm的光纤和400μm的光纤，测量不同质量分数下的甘油、蔗糖、氯化钠溶液的相位差，并计算对应折射率；分析了在传感器适用的折射率范围内，各溶液质量分数与折射率之间的关系，并对理论结果进行了实验验证。结果表明，纤芯直径越小，传感器灵敏度越高，灵敏度可达10^-5量级；密度越高，测量中的稳定性越高，最大相位差标准差为0.145°;分子量越大，精度越高，蔗糖的测量计算值与阿贝折射仪标定值之间的差值最大为0.52×10^-4。该研究为光纤SPR传感技术的进一步研究及应用提供了较好基础。     

双芯D型高灵敏度光子晶体光纤传感器的设计

该文提出了一种双芯D型高灵敏度的表面等离子体共振 光子晶体光纤(SPR PCF)传感器,利用SPR技术,通过纤芯损耗谱测量共振波长的变化来达到测量待测物质不同折射率的目的。通过改变内部空气孔的排列,使之达到双芯传输的效果,同时D型结构有利于加快SPR反应。其工作的波长范围可以调节,且结构简单,易于测量操作。实验结果表明,其折射率测量区间为1.35~1.40,可得最大光谱灵敏度为15 000 nm/RIU,最大幅值灵敏度为582.12 RIU-1,探针折射率精度为1.56×10-5 RIU。     

Transmission-type SPR sensor based on coupling of surface plasmons to radiation modes using a dielectric grating

A transmission-type surface plasmon resonance (SPR) sensor is presented. In the transmission-type SPR structure, surface plasmon waves are outcoupled to radia-tion modes by the use of dielectric grating on a thin-film layer of Ag. Compared with the traditional reflection-type SPR sensor, the new method provides larger detectable range, which might be useful to investigate thick targets such as in cell analysis. Theoretical simulations show that the structures provide high transmission efficiency for surface plasmon resonance and the devices present extre-mely linear sensing characteristics. Furthermore, it is found that the transmission efficiency and the refractive index detection sensitivity of the SPR sensor can be improved by the use of a lower refractive index glass prism.     

双金属层表面等离子体共振传感器灵敏度优化

为了优化表面等离子体共振传感器的灵敏度,基于薄膜光学理论,分析了银-金双金属层表面等离子体共振传感器的反射率和灵敏度随金属薄膜厚度变化的规律。发现在满足共振角反射率小于1%的条件下,银膜和金膜厚度存在一定的取值范围; 在此厚度范围内,传感器的灵敏度随着金属薄膜（银膜与金膜）厚度的增大而提高,灵敏度增量最大可达5°/RIU。结果表明,在保证一定共振角反射率的前提下,可通过增加双金属层中金属薄膜的厚度提高双金属层表面等离子体共振传感器的灵敏度。     

一种基于柔性铰链的FBG加速度传感器

为了适应光纤传感器在采煤机中的应用,提出了一种基于柔性铰链的光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器,其质量块通过柔性铰链和基座连接。基于传感器的结构模型,从理论给出了传感器的灵敏度和谐振频率公式,并讨论了结构参数对传感器灵敏度和谐振频率的影响,还利用有限元法分析了传感器的静态和动态特性。实验表明,本文传感器的谐振频率为2kHz,峰-峰值灵敏度为22pm/g,横向抗干扰度小于10%,适用于1kHz以下加速度的测量。     

基于对称平板波导型SPR液体折射率传感特性

表面等离子体共振(SPR)技术在外界环境折射率测量上有着广泛应用。设计了一种对称平板波导结构,利用时域有限差分法对波导结构中SPR效应与外界环境折射率的关系进行数值模拟,对金属材料选择以及传感区域长度进行了优化,并研究了不同阶次的模式对传感器灵敏度的影响。仿真结果表明:当外界环境折射率为1.38时,相较于基模条件下4100 nm/RIU的灵敏度,三阶模传感器的灵敏度提高到6209 nm/RIU,最大灵敏度提高了51%;当外界环境折射率为1.34~1.38时,传感器平均灵敏度从2900 nm/RIU提高到4025 nm/RIU。     

不同波长下表面等离子体共振传感器的灵敏度

依据玻璃、银和聚苯乙烯的折射率随波长变化而改变的性质,分析了不同波长入射光条件下表面等离子体共振(SPR)传感器的探测灵敏度。根据得到的实验数据,对玻璃、银和聚苯乙烯的折射率相对波长的变化进行了数据拟合,将拟合的结果用于理论计算,得到不同入射波长下表面等离子体共振传感器的探测灵敏度,提出了不同灵敏度要求下入射波长的优化选取。为了验证理论计算的结果,选取了波长为568nm和632.8nm的光源对样品进行了相关实验,发现波长632.8nm的入射光得到的样品表面形貌图相对波长为568nm的入射光得到的分辨率高,对细节的表现更加清晰。     

基于复合膜的双通道光纤表面等离子共振传感器

基于表面等离子共振的原理,设计了一种基于复合膜的双通道光纤表面等离子传感器。利用FDTD Solutions仿真软件分析了传感器的电场传输模式,比较了单层金属Ag膜与Ag-ITO复合膜的性能,并对比分析了单通道与双通道结构。结果表明:采用Ag-ITO与Au-TiO₂复合膜的双通道结构在灵敏度和品质因数等各项性能上要明显优于传统单层金属膜与单通道结构。设计的传感器不仅可以通过两条传感通道共振偏移范围的高区分度来解决共振波长的串扰问题,而且双通道结构中一条传感通道也可以作为参考通道为传感器提供自补偿能力。     

光化学传感器及其进展

总结了光化学传感器的机理及其发展现状，特别介绍了近年来发展较快的利用表面等离子体激元共振（ＳＰＲ）效应及溶胶－凝胶法薄膜工艺制备的波导式、光纤式化学传感器。讨论了发展中存在的问题，提出了今后的研究方向。