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。     

金属纳米二聚体结构的局域表面等离子体激元共振特性研究

将金属纳米粒子二聚体结构作为光学谐振腔,采用 时域有限差分(FDTD)法仿真模拟了一种新型局域表面等离子体激光器(SPASER)。 使用洛伦兹复介电常数模型研究二聚体的增益介质特性,探讨了二聚体结构中 两个纳米局域表面等离子体激元共振(LSPR)以及相互作用机制,进一步研究了 LSPR相互作用对SPASER的局域场增强的影响。 模拟结果表明,相比较单纳米颗粒SPASER,LSPR的相互作用使得二聚体SPASER的局域电场显著 增强,增强因子最 大可以相差27倍。本文研究为纳米光学器件尤其是激光器件的设计提 供了依据。LSPR效应的 研究可以用于探索一些光与物质相互作用的极限效 应,从而为有源光子线路、生物传感以及量子信息处理等研究开辟道路。     

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤折射率传感器的设计与分析

为了实现光子晶体光纤在近红外波段下的高灵敏度传感,设计了一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤(SPR-PCF)折射率型传感器。光纤内部的空气孔呈六边形排列,金纳米层完全包覆光纤外璧并与圆形待测物通道接触。利用有限元矢量软件COMSOL对SPR-PCF传感器的光学特性进行数值模拟仿真,得到不同待测物折射率的共振波长并绘制出纤芯损耗光谱,通过纤芯损耗光谱来对SPR-PCF传感器的传感特性进行分析。实验结果表明,其折射率测量区间为1.31~1.38,最大光谱灵敏度为104 nm/RIU,最大振幅灵敏度为200RIU-1,折射率测量精度为2.94×10-5RIU。     

表面等离子共振成像非标记微阵列芯片检测

采用表面化学修饰的镀金玻片作为芯片基质,结合微阵列点样分配技术,设计制作了1种非标记寡核苷酸检测芯片和1种非标记蛋白检测芯片,使用自行构建的表面等离子共振成像(SPRI)检测仪器,成功实现了对寡核苷酸靶标和抗体靶标的非标记、高通量检测分析,研究了核酸和蛋白分子的特异性相互作用,并使用微珠有效增强了芯片的检测信号.     

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤生物传感

为解决电化学生物传感的电磁干扰,提高光学生物传感的灵敏度,提出了一种基于表面等离子体共振(SPR)的光子晶体光纤(PCF)传感结构并将其应用于脱氧核糖核酸的检测中.为了易于检测,将Au膜镀在PCF的外表面直接接触待测溶液.利用全矢量有限元法结合各向异性的完美匹配层对该结构进行数值研究.结果 表明,在1.333～1.347折射率范围内,该结构具有明显的SPR效应,在1300～1400 nm波长范围内形成了不同位置的共振损耗峰.当Au膜厚度为60 nm、占空比为0.6、孔直径为1.2 μm时,该结构的灵敏度可达到7250 nm/RIU(RIU为折射率单元),检测限可达到10-6量级,品质因数为145 RIU-1.该结构在生物传感、液态物质检测等领域具有潜在的应用前景.     

表面等离子共振技术及其生物传感研究进展

表面等离子共振传感器将生物学识别机制与光电装置相结合,把生物信号转化为光电信号,非常适合于对生物分子相互作用进行动态实时研究.表面等离子共振技术具有检测过程方便快捷,灵敏度高;无需标记样品,大多数情况下,不需要对样品进行处理;能在混浊的甚至不透明的样品中进行等特点.本文以表面等离子技术为基础,分析了当前应用广泛的Kretschmann模型特点,回顾和讨论了表面等离子共振传感系统的研究概况,旨在将表面等离子共振技术及相关研究成果展示给读者.     

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 %.     

基于双D型光纤表面等离子共振折射率传感研究

以双D型光纤作为传输载体,研究了一种基于表面等离子共振技术的双D型光纤折射率传感器。利用时域有限差分法,分析了双D型光纤剩余包层厚度、金膜厚度、金膜表面粗糙度以及双通道传输对光纤SPR传感器性能的影响。仿真结果表明,当剩余包层厚度为300~500nm、覆盖的金膜厚度为50nm时,双D型光纤SPR传感器的性能得到优化;金膜表面粗糙度也是影响传感器性能的重要因素,当金膜表面粗糙度的均方根值低于2nm或其相关长度大于160nm时,金膜表面粗糙度对传感器性能的影响显著减小,且在折射率为1.33~1.36的传感环境下具有较好的线性度;在双D型光纤两侧覆不同的金属膜,可以实现信号的双通道测量。     

基于SPR增强的开放式悬挂芯光纤集成芯片

为了有效提升光纤表面等离子体共振(SPR)传感器场增强效果的响应速度和场增强特性,采用悬挂芯光纤结合表面等离子体共振增强检测机理来提高表面场增强程度,提出了一种新型的光纤SPR-表面场增强芯片结构。采用有限元理论分析了上述结构的光场特性,由分析可知,当薄膜层在40nm~50nm附近时存在比较强的场增强;场增强程度与激发SPR共振波长密切相关;而缩小包层厚度、降低纤芯折射率对比度也有利于大幅度增加场增强强度,但半径和包层厚度变化对穿透深度几乎没有影响。结果表明,优化后的光纤芯片具有较高的场增强效果。该研究为高灵敏、快速流体检测应用提供了一种解决思路。     

光纤SPR传感器的信号检测及处理

光纤表面等离子体共振(SPR)传感器是目前应用在环境介质检测和生物大分子检测等方面的新型、高精度传感器。首先,以表面等离子体共振传感理论为基础,对系统检测结果进行数据处理,得出采用均值估计的线性模型。在不同时刻与相同环境介质下,检测某一溶液的十组光谱数据并进行均值估计,从而得到有效的共振波长。其次,利用小波分析方法进行信号处理,校正了噪声产生的漂移,对光谱信号压缩处理,以提高检测精度。再通过Matlab进行模拟仿真优化传感系统性能。并对不同折射率溶液如蒸馏水、酒精等进行检测,得到了良好的光谱响应曲线,证明了在检测范围内折射率和共振波长之间具有良好的线性关系。     

一种基于表面等离子体共振的多模光纤H2传感器

报道了一种基于表面等离子体共振(SPR)的多模光纤H2敏传感器,是通过化学腐蚀多模光纤使纤芯裸露再镀上Pd-Ag合金膜所构成,并给出了相应的理论分析和实验制作过程。理论分析表明,对于0～4%范围内的H2浓度,兼顾测量范围、灵敏度和响应时间,合金膜厚度选择在20nm附近为宜;实验研究结果显示,用20nm厚的Pd-Ag合金膜和15mm的光纤作用长度,在温度为26℃、相对湿度为60%的条件下,传感器能探测0～4%浓度范围内的H2,响应时间小于50s。     

表面等离子体共振(SPR)薄膜传感器的研究

利用自制的棱镜型表面等离子共振（SPR）传感器,在固定入射光波长632＋8nm激光入射下,被测样品为空气,研究了金属薄膜分别为Al膜、Ag膜及Au膜时的反射光功率与入射角之间的关系,讨论了Al薄膜厚度对表面等离子共振灵敏度的影响。     

表面等离子体共振传感器研究的新进展

表面等离子体共振传感器具有灵敏度高、免标记及检测快速等优点,在生命科学、药物开发、公共安全、环境污染检测等领域具有广阔的应用前景。高灵敏度、小型化、集成化、低成本、高可靠性是未来表面等离子共振传感器发展的主要方向。介绍了棱镜耦合复合结构表面等离子体共振传感器在提高灵敏度和分辨率方面的研究新进展,重点论述了光纤表面等离子体共振传感器的研究现状和发展趋势,并对高通量、多组分识别表面等离子体成像技术以及金属微纳结构(颗粒)局域表面等离子共振传感技术的应用前景进行了讨论。     

基于石墨烯的布洛赫表面波调控特性研究

布洛赫表面波(Bloch surface wave,BSW) 具有传输损耗低、显著表面局域场增强、环境敏感等特性,因而被视为研究近场光和物质相互作用的关键技术。其主要在截断的一维光子晶体与外界介质的界面激发并沿此界面传播,通过传播界面微纳结构的设计,可在纳米尺度实现对BSW的有效调控。本文从BSW的模式特性出发,提出了石墨烯加载的一维光子晶体BSW传感器件结构。通过改变石墨烯层的结构参数,调节激发模式在光子带隙中的位置,研究激发模式的光场传输特性,实现对BSW激发波长、振幅和相位的调控。进一步利用其对外界介质折射率变化非常敏感的特性,对其传感检测能力进行研究。结果表明,该器件有望实现高灵敏度的生化传感检测应用。该研究为新型BSW集成光子器件的设计与发展提供了新思路。     

基于拉曼光谱的微结构光纤丙酮传感检测研究

结合拉曼光谱特异性和微结构光纤所需样品体积 小(纳升量级)等优点,基于拉曼光谱法,利用三孔MOF作为传 感头,搭建了丙酮浓度传感系统。 丙酮溶液在毛细管吸附作用下进入到MOF的空气孔内, 在倏逝波激发下丙酮溶液产生拉曼信号,通过探测耦合回微结构光纤纤芯的拉曼 信号强度探测丙酮浓度。实验利用丙酮C-H键(2843cm－1)伸缩振动峰作为其特 征谱线,同时以水的H-O键(3371cm－1 )伸缩振动峰作为内标物组成相对强度,对 溶液中的丙酮含量进行测定。实验结果表明,当丙酮浓度从5%增加到50%时,丙 酮浓度与丙酮C-H键伸缩振动峰和水H-O键伸缩振动峰强度比值呈线性关系,二 者相关系数为0.98。本文系统也可以用于其它挥发性有机化合物的定 性和定量分析。     

双峰效应光纤光栅薄膜传感器的优化设计

利用双峰谐振效应,通过在长周期光纤光栅(LPFG)包层表面涂覆一层对周围气氛敏感的薄膜,建立了一种新型薄膜传感器,其双峰谐振波长间隔随薄膜折射率的变化而变化.基于三包层光纤光栅物理模型,根据耦合模理论研究了传感器的灵敏度Sn与薄膜光学参数(折射率n3和厚度h3)和光纤光栅结构参数(光栅周期Λ、折变量σ)之间的关系.采用最优化数值方法,确定了最佳的膜层光学参数和光栅结构参数.计算表明,该类型传感器对膜层折射率的测量分辨率高达10-7.     

基于FBG和光频域反射技术的混合式光纤传感网研究

基于光纤Bragg光栅技术和光频域反射(OFDR)技术 ,构建了一个具有分立式传感子层和分布式传感器子层的双层结构混合式光纤传感网络。 在分立式传感子层中,FBG用于实现温度参量的传感;在分 布式传感子层中,采用OFDR方法解调光纤中的瑞利散射信息从而获得分布式的应 变参量。整个传感 网络共用同一个宽光谱可调谐激光光源,分立式子层和分布式子层两者协同工作,实现应变 和温度两个参 量的高精度测量,其中应变分辨率达到0.75με,温度分辨率达到 ±1℃。本文构建的传感网络为构建大容量、 大规模、多参量、高空间分辨率和高测量精度的光纤传感网络提供了一种有益探索。