納米陣列光纖傳感器角度調(diào)制

馬 成

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

在適當(dāng)?shù)臈l件下,具有周期性納米孔的金屬膜的表面能夠激發(fā)局域表面等離子體共振(LSPR),并且入射光角度可以調(diào)制共振光譜。金膜表面的金(Au)粒子結(jié)構(gòu)中的光線可以同時(shí)刺激表面等離子體共振(SPR)和LSPR。研究表明,在特定的激發(fā)角度下,SPR將顯著增強(qiáng)。Masson團(tuán)隊(duì)對(duì)SPR和LSPR的共同共振激發(fā)進(jìn)行了許多研究,他們研究了具有金屬納米陣列微孔結(jié)構(gòu)的克雷奇曼系統(tǒng)中的LSPR的透射光譜和SPR的反射光譜,發(fā)現(xiàn)LSPR和SPR的SP模式共振可以在特定的入射角時(shí)增強(qiáng)。眾所周知,角度調(diào)制等離子體傳感器[1-2]基于SPR檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)通常由光學(xué)設(shè)備組成,如激光器、棱鏡、角度計(jì)等。與傳統(tǒng)的克雷奇曼結(jié)構(gòu)相比,光纖的LSPR傳感器由于其尺寸小,適合長(zhǎng)距離傳輸與在惡劣環(huán)境中使用,近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展[3-5]。

光纖的尺寸較小,所以現(xiàn)階段對(duì)光纖局域表面等離子體共振傳感器的研究主要是基于探頭端面的反射和透射光譜。通過(guò)調(diào)整光纖端面金屬膜上的納米孔或納米粒子的周期[6]、形狀和大小[7-8]來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的傳感特性。例如:偏振態(tài)無(wú)關(guān)的光纖傳感器[9]、反射式LSPR光纖傳感器[10]、反射式超常光傳輸光纖傳感器、雙向光纖傳感器和光纖表面增強(qiáng)拉曼散射傳感器。另外，由于將金屬膜的納米孔陣列結(jié)構(gòu)集成在光纖端面有一定的困難而且還需要較高的花費(fèi),所以研究LSPR光纖傳感器角度調(diào)制是非常必要的。

由于光纖的微米尺寸結(jié)構(gòu),在光纖端面上集成金屬納米結(jié)構(gòu)有許多困難。為了實(shí)現(xiàn)光纖端面上的局域表面等離子體共振角度調(diào)制,采用模板轉(zhuǎn)移法將金屬納米孔陣列結(jié)構(gòu)集成到光纖的斜面拋光端面上。相比于其他方法,模板轉(zhuǎn)移法不需要額外的處理、刻蝕或剝離抗蝕劑，而且模板可以重復(fù)使用,從而降低納米制造的成本和時(shí)間消耗。此方法具有基板上高質(zhì)量周期性納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

本文使用模板轉(zhuǎn)移法將金屬納米孔陣列結(jié)構(gòu)集成到斜切光纖端面上。通過(guò)改變斜角磨削的角度,從而改變?nèi)肷涔庠诮饘倌ど系姆瓷浣嵌?最終實(shí)現(xiàn)光纖LSPR傳感器的角度調(diào)制。光纖因其重量輕、體積小、高效率等優(yōu)點(diǎn)，在很多光學(xué)設(shè)備中廣泛使用。利用光纖上的等離子體激發(fā)效應(yīng)制成的傳感器的這些特點(diǎn)，可使得該傳感器能夠執(zhí)行遠(yuǎn)距離傳感和物體內(nèi)部傳感任務(wù)，如生物體內(nèi)的生物傳感[11-14]。本文通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)并對(duì)比結(jié)果,細(xì)致研究了光纖斜角對(duì)傳感器靈敏度的影響。主要通過(guò)測(cè)量不同濃度甘油溶液以及不同光纖錐角的傳感器的傳感特性，發(fā)現(xiàn)光纖LSPR傳感器達(dá)到SPR和LSPR耦合激勵(lì)的最佳傾斜角。

1 傳感器設(shè)計(jì)與原理分析

為了實(shí)現(xiàn)光纖局域表面等離子體共振傳感器的角度調(diào)制[15]，首先使用自制拋光機(jī)在芯徑為100 μm的光纖端面上研磨光滑的斜面，其次采用模板轉(zhuǎn)移法在光纖斜面上將金膜與周期性納米孔陣列結(jié)構(gòu)整合在一起，最后通過(guò)改變光纖斜角來(lái)改變金屬膜上反射光纖的角度。圖1(a)是光纖LSPR傳感器的光傳輸示意圖。圖1(b)和圖1(c)是納米孔陣列光纖傳感器的照片。圖1(d)是附著在光纖斜面上的金六角形納米孔陣列的掃描電子顯微鏡拍攝的圖像。

圖1 LSPR光纖傳感器制作過(guò)程照片

圖2是使用模板轉(zhuǎn)移法生產(chǎn)角度調(diào)制光纖LSPR傳感器過(guò)程。先將金元素沉積在間距700 nm和孔徑200 nm的六角形周期納米結(jié)構(gòu)硅模板上，利用反應(yīng)離子刻蝕法在模板上形成具有周期性納米孔的金膜。模板上沉積的金膜厚度為50 nm。圖1(d)是金膜的掃描電鏡圖像。與具有相同晶格常數(shù)的方形結(jié)構(gòu)納米孔相比，六角形結(jié)構(gòu)納米孔可以有效地消除共振串?dāng)_，因此，使用六角形的金納米周期結(jié)構(gòu)。首先使用自制拋光機(jī)拋光具有110 μm的芯直徑的多模光纖的端面，傾斜角為β。然后調(diào)整自制拋光機(jī)，使光纖斜面與固定在磨削平臺(tái)上的模板平行。在光纖末端涂上適量的固化膠，并調(diào)整自制拋光機(jī)使光纖末端與金模模板接觸,與此同時(shí)使用紫外線照射界面適宜的時(shí)間。最后調(diào)整自制的拋光機(jī)來(lái)拉高光纖，使光纖和模板分離。金膜將與模板分離并留在光纖的斜面上，完成光纖LSPR傳感器的制造。通過(guò)調(diào)整光纖的傾斜角度,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖LSPR傳感器進(jìn)行角度調(diào)制。

圖2 模板轉(zhuǎn)移法制作光纖LSPR傳感器

多模光纖中的光傳輸很復(fù)雜。 圖1(a)顯示子午面中光的傳輸，本文使用的是數(shù)值孔徑為0.2的多模光纖。 光纖數(shù)值孔徑計(jì)算公式

Na=n0sinφ.

(1)

已知φ=11.54°，根據(jù)菲涅爾公式

n0sinφ=n1sinθ，

(2)

可得到光纖子午面內(nèi)的最大光透射角度為θ=7.82°。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的液體折射率范圍為1.333～1.385。當(dāng)液體折射率為1.385且α≥70.42°時(shí)，根據(jù)菲涅耳公式計(jì)算，所有在光纖子午面?zhèn)鬏數(shù)墓饩€都會(huì)在金膜表面全部反射出來(lái)。根據(jù)三角關(guān)系，光纖斜角滿足此刻狀態(tài)的條件是β≤11.76°。也就是說(shuō)，當(dāng)光纖斜面角度小于11.76°時(shí)，透過(guò)光纖子午面的光線會(huì)在金膜表面發(fā)生全反射。

由于在光纖中傳輸?shù)墓獍ㄗ游绻夂托惫?，因此，測(cè)試5°，6°，7°，9°，12°，14°，16°，18°，20°，22° 這些斜角來(lái)探索它們對(duì)金膜上激發(fā)的LSPR現(xiàn)象的影響。

傳感實(shí)驗(yàn)配置如圖3所示。首先，來(lái)自鹵素?zé)粼吹牟ㄩL(zhǎng)范圍為360～2 400 nm的光耦合到光纖傳感器中。其中，光纖傳感器的頂端和信號(hào)接收光纖固定在由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的液流裝置的光信號(hào)接收強(qiáng)度最大的位置中。使用精密可編程注射泵將不同折射率的液體(折射率分別為1.333,1.345,1.355,1.365,1.375,1.385)注入液體流動(dòng)裝置中。用阿貝折射計(jì)校準(zhǔn)甘油-水溶液指數(shù)。最后將信號(hào)接收光纖連接到光譜儀上，光譜儀存儲(chǔ)提取的信號(hào)，然后輸入計(jì)算機(jī)處理光譜信號(hào)。

圖3 納米孔陣列光纖傳感器實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4是不同濃度甘油溶液的光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中，液體折射率分別為1.333,1.345,1.355,1.365,1.375和1.385；斜角傳感器探頭的角度分別為5°，6°，7°和9°。目前，實(shí)驗(yàn)是在β≤11.76°條件下進(jìn)行的。

圖4 不同液體折射率環(huán)境中光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖中看出兩個(gè)信號(hào)峰隨著液體折射率的變化而發(fā)生紅移。波長(zhǎng)在770～780 nm范圍內(nèi)的共振峰具有較大的強(qiáng)度，伴隨液體折射率增加，光譜出現(xiàn)顯著的紅移。然而波長(zhǎng)在750～760 nm范圍內(nèi)的共振峰不太明顯。

為了對(duì)比結(jié)果，本文測(cè)試傳感器在β≥11.76°條件下的共振光譜。與光纖斜角小于11.76°的情況相比，當(dāng)光纖斜角大于11.76°時(shí)，波長(zhǎng)在750～760 nm范圍內(nèi)的共振峰的強(qiáng)度與之前相比有明顯地增強(qiáng)。根據(jù)之前的分析知道，當(dāng)光纖的斜角小于11.76°時(shí)，光纖子午線中傳輸?shù)乃泄饩€將全部反射在金膜表面，這是發(fā)生SPR的條件，而SPR的產(chǎn)生可以引起LSPR的增強(qiáng)，所以由主模引起的770～780 nm波長(zhǎng)處的LSPR峰便處于較強(qiáng)的位置。當(dāng)光纖錐角大于11.76°時(shí)，光纖子午面中的光線不再全部在金膜表面全反射，即SPR強(qiáng)度減弱，而且由于斜向光線沒有在光纖的子午面中傳播，于是信號(hào)峰值變得雜亂無(wú)章。為了進(jìn)一步研究光纖斜角對(duì)傳感器性能的影響，研究了傳感器靈敏度與FOM(品質(zhì)因數(shù))和光纖傾斜角度之間的關(guān)系。較高的FOM表示較高的傳感器分辨率。

圖5顯示了傳感器的靈敏度和FOM以及光纖斜角之間的關(guān)系，選擇770～780 nm共振峰的波長(zhǎng)范圍。從圖中可以看出，隨著光纖斜面角度的變化，光纖傳感器的靈敏度和品質(zhì)因數(shù)在有規(guī)律地變化。當(dāng)光纖斜角大約7°時(shí)，光纖傳感器的靈敏度達(dá)到最大值488 nm / RIU，此時(shí)品質(zhì)因數(shù)FOM達(dá)到29。

圖5 光纖斜角對(duì)靈敏度和FOM影響

在這個(gè)特定的角度下，SPR和LSPR之間的耦合共振最明顯，導(dǎo)致傳感器靈敏度和FOM最高。從圖中可以看出，當(dāng)光纖斜角大于11.76°時(shí)，即光纖子午面內(nèi)的光線不再刺激金膜表面的SPR，導(dǎo)致傳感器的靈敏度和FOM明顯降低。

圖6說(shuō)明不同光纖斜角傳感器的諧振波長(zhǎng)與液體折射率呈線性變化，這表示傳感器線性擬合良好，最高值達(dá)到99.9%。

圖6 不同光纖斜角傳感器的傳感器線性

但是在拋光過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生一些失誤，這將導(dǎo)致傳感器表面稍微不平坦，或者UV固化粘合劑的厚度不對(duì)稱。 這些因素都可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)峰值擴(kuò)大或漂移，以及傳感器靈敏度和FOM降低。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用模板轉(zhuǎn)移法實(shí)現(xiàn)光纖LSPR的角度調(diào)制，具有小型化、低成本、高效率和高靈活性的優(yōu)點(diǎn)。首先使用自制的拋光機(jī)將多模光纖的端面磨成不同的角度。然后將光線端面上集成金膜構(gòu)成光纖傳感器。本文總共制造了4個(gè)具有不同斜角角度的光纖傳感器，并分別測(cè)試其在液體折射率為1.333～1.385的諧振波長(zhǎng)變化的光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)光纖斜面角度小于11.76°時(shí)，即光纖子午面上的所有光線全部在金膜表面發(fā)生反射時(shí)共振光譜更加明顯。最后發(fā)現(xiàn)當(dāng)光纖斜面角度為7°時(shí)傳感器的靈敏度和FOM在光纖中偏斜光的影響下達(dá)到最強(qiáng)，SPR和LSPR的耦合激發(fā)最為明顯，實(shí)現(xiàn)了LSPR的角度調(diào)制，能夠用這種方法加工制造出實(shí)用的光纖傳感器。