長周期光纖光柵表面等離子體共振增強傳感器

劉志偉，董興法，呂正兵，姜 莉，吳 婧

(蘇州科技大學 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州 215009)

0 引 言

表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)傳感技術根據周圍介質微小變化來間接獲取物質信息[1],具有無損檢測、無標記、可在線即時測量以及靈敏度高等特點，在生物分析、環境監測和食品安全等領域得到了廣泛應用[2-3]。

SPR傳感器根據激發結構不同分為棱鏡耦合型[4]、光柵耦合型[5]、平面波導型[6]和光纖耦合型[7]。其中，光纖耦合結構傳感器具有抗電磁干擾強、可遠程測量和微型化設計等特點，已設計出蝕刻光纖[8]、側面拋光光纖[9]、錐型光纖[10]、U型光纖[11]和D型纖維[12]等結構，但這些結構破壞了光纖的圓對稱結構，削弱了光纖SPR傳感器的機械穩定性。為了克服這些缺點，基于單模光纖[13]、布拉格光纖光柵[14]、長周期光纖光柵(Long Period Fiber Grating，LPFG)[15]和光子晶體光纖[16]等不同類別的光纖 SPR 傳感器相繼被提出，其均保留了光纖的結構完整性和圓對稱性[17]，提升了纖芯模式到SPR模式的轉換效率。

本文通過在LPFG表面熱蒸發金膜來進行傳感器的研究。此外，SPR與入射光束偏振態有關，將偏振光束與SPR傳感器相結合，其中的徑向偏振光具有偏振態中心對稱的分布特點[18]。采用這種偏振態分布的入射光入射到光纖傳感區域，使入射光束具有橫磁(Transverse Magnetic，TM)波的偏振特性，去除了橫電(Transverse Electric，TE)波的分量，提升了傳感器中SPR效應的激發，加深了諧振波長的諧振峰，以此來增強傳感器性能。

1 理論分析

1.1 鍍膜LPFG模型

LPFG的調制周期通常在100 μm～1 nm范圍內，纖芯傳播的基模通過LPFG透射到包層中，部分模式被包層散射或吸收迅速損耗，在透射光譜中表現出多個損耗峰。由于其獨特的模式耦合方式，LPFG對與包層材料折射率接近的外界環境折射率變化極為敏感，已被廣泛應用到生物和化學等傳感領域。LPFG能實現對濕度、pH值、溶液濃度和氣體等的檢測，具有易于制造、穩定性好、抗電磁干擾和能實現遠程測量等優點[19]。

本文提出的SPR傳感器結構如圖1所示。首先采用CO2激光法，將周期Λ=600 μm的長周期光柵刻寫入纖芯中，控制傳感區域長度L=1.5 cm。選取的光纖直徑為2R=125 μm，纖芯直徑D=10 μm；然后，通過在LPFG表面熱蒸發厚度T=50 nm的金膜來完成SPR傳感器的制造。

圖1 LPFG SPR傳感器縱向截面圖

由圖1可知，光纖纖芯的基模通過LPFG透射并耦合到包層模式中。當包層模式傳播常數的軸向分量與SPR的軸向分量匹配時，SPR模式與包層模式間就會發生耦合，從而得到SPR—光纖包層混合模式。 因此，一旦經過LPFG調制后的基本模式衍射的傳播常數等于混合模式的傳播常數，就可以在混合模式和包層模式之間發生電磁波能量的轉移。該耦合條件在諧振波長下滿足，可表示為

由式(1)可知，傳感器的靈敏度與第i個包層模式的有效折射率和LPFG的光柵周期Λ成正比。當使用偏振光作為傳感器的傳播光束時，有望提高光纖和金屬界面處混合模式的強度，從而提高傳感器的靈敏度。

1.2 SPR

等離子體通常指原子經過電離后產生的正負離子集合體，其中也包含一些固態金屬。當等離子體處在電磁場環境中時，由于磁場作用，等離子體會形成不同的區域，而相鄰區域的正負離子相互吸引，因此，在靜電場和磁場的綜合作用下，等離子體內部的正負離子群會進行密度起伏振蕩，并且會保持一定的周期特性。在金屬結構中，金屬原子的質量遠遠大于電子，并且能夠保持空間結構的穩定，而電子活動空間較大，因此，等離子振蕩能夠由自由電子群的集體起伏振蕩來描述。表面等離子體振蕩是其中的一種特殊情況，通常發生在兩種介質的交界面上，主要是金屬、半導體材料和其他電介質。當沿著交界面傳播時稱為表面等離子波，并且在分界面兩側傳播時，根據傳播深度，能量會發生指數衰減。在交界面的一側存在傳播常數與之一致的其他波束時，兩者發生耦合并伴隨著能量的轉移。

式中，ε為傳輸介質的介電常數。由式(2)可知，β1,2>β,交界面的等離子波無法耦合進入電介質中，而且電介質中的波束無法引起表面波的共振，這為光纖激發SPR效應提供了理論基礎。當光從一個介質入射到另一個介質中時，在交界面會產生反射光和折射光，如圖2所示。將光束進行分解，得到P和S偏振光，通常也可以用TM和TE波來表示。

圖2 P與S偏振光在分界面的矢量方向

光纖表面鍍上一層金膜后，在待測溶液和金膜形成的交界面，一定情況下會發生等離子體振蕩，產生表面等離子體波，當光纖中的光束通過光柵到達金膜時，發生全反射，產生的倏逝波在一定條件下會匹配表面等離子體波。表面等離子體波的方向垂直于交界面，與透射光的P波分量方向相同，二者傳播常數相匹配時相互耦合產生SPR效應。而TE波不符合共振條件，由此可以設法增強入射光的TM波分量來提高耦合效率。

實驗中常見的覆膜金屬材料為金和銀，與銀相比，金具有化學惰性，不易氧化，易于保存，且實驗過程中更加穩定，不會與溶液發生反應影響測量準確度。因此本文所使用的SPR傳感器使用金鍍膜。

2 傳感裝置與系統

2.1 鍍金光纖光柵的制備

光柵刻寫的方法有離子注入、紫外寫入、腐蝕刻槽和CO2激光法等。此次選用CO2激光法對光纖進行光柵的刻寫。CO2激光法是利用光纖中殘余應力釋放、玻璃熔融后的形變和玻璃的致密化形成的折射率周期性結構。使用智能控制程序可快速便捷地調整控制激光器，具有能量集中和靈活方便等優點，可以生產出結構損傷小和高質量的多種光纖光柵器件[20]。

本文提出的SPR傳感器的光柵制作過程如下：用連接到CO2激光器(全功率為10 W，頻率為10 kHz)上的2D光學掃描儀掃描單模光纖，使用計算機控制掃描速度在2.4 mm/s，激光束聚焦直徑約為50 μm的斑點。光纖光柵傳感區域的長度為1.5 cm，光柵周期Λ=600 μm。光柵刻寫完成后，使用熱蒸發法在光纖傳感區域表面鍍上50 nm的金膜，通過熱蒸發機中的石英晶體監視器進行測量，可以實時控制和監視光纖表面上沉積金膜的厚度。

2.2 實驗裝置

圖3所示為傳感系統的實驗裝置示意圖。光源為超連續譜源，具有從可見光到近紅外區域的寬光譜范圍。在考慮的1 500～1 580 nm光譜范圍內的光譜穩定性優于0.1%，光功率約為80 mW。光源發出的光首先傳輸后經過隔離器，然后入射光線通過偏光片成為線偏振光，再傳輸進入偏振控制器，校正入射進入傳感區域光線的偏振狀態能夠更大程度地激發SPR效應，在實驗過程中，測量前需校正光線的偏振狀態來保證實驗的準確性。待測溶液樣本濃度變化引起的共振波長偏移通過連接到計算機的光譜儀捕獲。

圖3 實驗裝置示意圖

圖4所示為傳感器探測示意圖。傳感器探測過程中，纖芯的入射光通過光柵耦合進入到包層中，前后傳輸的包層模式入射到金屬層表面發生全反射，產生的倏逝波可以穿透金膜。根據等離子體共振理論分析，當倏逝波匹配表面等離子體波時，能量將會耦合進入表面等離子體波，并且沿著金屬表面傳播。同時，光纖光柵透射光譜將會呈現出損耗峰。

圖4 傳感器探測示意圖

3 結果與分析

3.1 傳感器折射率響應特性

完成光纖光柵的制備和實驗系統的搭建后，首先測試TM模光束對SPR效應的激發情況。圖5所示為光纖光柵傳感器在空氣和測試溶液中的透射光譜圖。由圖5(a)和5(c)可知，處在空氣和溶液兩種不同環境下，只刻寫了LPFG的傳感器，TM和TE模入射光沒有對傳感器產生很大的影響。而對于熱蒸發金膜后的傳感器，TM和TE模入射光的透射光譜出現了不同程度的損耗增強，如圖5(b)和5(d)所示。在空氣環境下，鍍金膜后，TM模的光束能量衰減了4.3 dB，而TE模的光束能量僅變化了0.3 dB。由圖可知，TE模的光無法激發SPR效應。在溶液環境下，鍍金膜前后相比，TM模的光束能量衰減了5.3 dB，TE模的光束能量衰減了2.2 dB。在溶液折射率接近包層折射率的情況下，鍍金膜會改變包層原有的模式結構，包層有效折射率也會隨之發生變化，從而產生透射光譜的衰減。由于SPR效應的影響，更多的能量耦合進入表面等離子體波，表現為TM模會出現更多的能量衰減。

圖5 LPFG SPR傳感器光譜圖

隨后，將光纖光柵傳感器置于不同折射率的溶液中，測量TM和TE模的光譜透射圖，如圖6所示。圖6(a)和6(b)所示為鍍金膜前TM和TE模的光譜變化圖，由于光纖表面沒有鍍金膜，不會發生SPR現象，此時光譜主要隨著溶液折射率的變化而發生紅移，TM和TE模的透射功率接近，均分布在-32 dB附近，與圖5中光譜結果相吻合。圖6(c)和6(d)所示為鍍金膜后TM和TE模折射率的變化光譜圖，隨著溶液折射率的變化，兩種模式的透射光譜都發生了紅移，同時，與圖6(a)和6(b)相比，光譜都發生了衰減。首先，由于在光纖表面鍍上了一層金膜，改變了光纖的結構，TM和TE模兩種透射光譜都會發生衰減，其次，由于TM模激發金屬表面的等離子共振，加深了光譜的衰減。由圖可知，TE模的衰減光譜主要集中在-29 dB，而TM模的透射峰值在-27 dB附近，TM模的衰減更加明顯。

圖6 不同濃度溶液下SPR傳感器光譜圖

圖7所示為根據圖6中光譜數據信息繪制出的傳感器鍍金膜前后折射率靈敏度對比圖。由圖可知，折射率從1.335逐漸增加到1.372，諧振波長按一定比例關系發生紅移。在傳感器鍍金膜之后，折射率靈敏度有所提升，TE模作為傳感光束，靈敏度提升了12.9 nm/RIU，而以TM模為光源的傳感器，靈敏度提升了18.7 nm/RIU。利用SPR效應的傳感器使用TM模的傳感光束具有更好的傳感器性能和靈敏度。

圖7 鍍金膜前后不同光源傳感器波長折射率靈敏度對比圖

3.2 傳感器溶液折射率測定

最后，使用圖3所示的實驗測試平臺，用制作完成的傳感器對不同濃度的氯化鈉溶液進行測量。首先使用阿貝折射儀檢測出配置好的氯化鈉溶液折射率，接著依次將測量好的不同濃度氯化鈉溶液使用傳感器進行檢測，通過光譜儀來監測并記錄波長的變化情況。圖8(a)和8(b)分別為在不同偏振特性光源的激發下，傳感器光譜隨溶液濃度變化的響應關系。當氯化鈉溶液濃度由0.01 g/ml(1%)增加到0.33 g/ml(25%)時，溶液折射率也隨之從1.33增加到1.37。如圖所示，諧振波長也產生了偏移，TM和TE偏振光源下的波長漂移量分別為8.4和7.3 nm,公式計算得出其靈敏度分別達到了168和146 nm/RIU。實驗結果表明,使用TM偏振光源能夠有效地提升傳感器的折射率靈敏度，能夠滿足溶液折射率微小變化的檢測需求。

圖8 不同濃度氯化鈉溶液檢測過程中傳感器光譜變化

4 結束語

本文主要研究了利用LPFG SPR傳感器來檢測溶液折射率的變化。介紹了LPFG的基本理論，將光耦合到包層模式中，利用對外界折射率變化敏感的特性進行物質監測，使用CO2激光器制作LPFG傳感器并將其用于溶液折射率實驗。通過光譜數據分析得知鍍金LPFG的TM模會激發形成SPR，SPR的共振峰值隨著溶液折射率的增大會產生紅移，并且會加深共振峰值，能夠有效地提升SPR系列傳感器的靈敏度。