光纖SPR傳感技術(shù)的教學(xué)與實踐探究

蘇于東 魏勇 冉澤

基金項目：重慶三峽學(xué)院教育教學(xué)改革研究項目資助“依托創(chuàng)新實驗室培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的探索與實踐”（編號：JGQN2208）

摘 要：隨著現(xiàn)代科技日新月異的發(fā)展，傳感器技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用并且被越來越多的人所熟知。對于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)改革，特別是傳感器原理和應(yīng)用的相關(guān)課程教學(xué)，了解前沿的傳感技術(shù)對培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才，擴展學(xué)生專業(yè)知識具有很重要的作用。如何讓學(xué)生能夠真正了解科研，認(rèn)知前沿的傳感技術(shù)，文章將以光纖表面等離子體共振（SPR）傳感技術(shù)為例，著重闡明上述問題。

關(guān)鍵詞：傳感器;教學(xué)改革;光纖SPR傳感技術(shù)

1引言

“傳感器原理及應(yīng)用”作為大學(xué)本科電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，目前的教學(xué)只是停留在書本上的基礎(chǔ)知識上，而其原理大多生硬難懂，學(xué)生無法真正理解。而在科技迅速發(fā)展的今天，企業(yè)對技術(shù)人員的探索創(chuàng)新能力以及自主研發(fā)能力的要求較高。如何鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新型思維，發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力成為教學(xué)中探索的重點[1]。

表面等離子體共振（SPR）傳感技術(shù)作為一種新型的光學(xué)傳感技術(shù)，具有免標(biāo)記、實時檢測、非接觸無損傷測量等優(yōu)點[2]。廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)療、食品安全、環(huán)境監(jiān)測和結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測等領(lǐng)域。因此，在“傳感器原理及應(yīng)用”的實際教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知了解光纖SPR傳感技術(shù)原理和相關(guān)實驗實踐知識，對學(xué)生了解前沿的科學(xué)技術(shù)，提高其學(xué)習(xí)理論課程的主動性有很大的幫助。

本文從光纖SPR傳感技術(shù)出發(fā)，介紹光纖SPR傳感器的相關(guān)原理以及具體的實驗制作過程。將前沿科研引入到課程教學(xué)當(dāng)中，充分調(diào)動學(xué)生參與科研的積極性[3]。這樣，既提升了學(xué)生學(xué)習(xí)“傳感器原理及應(yīng)用”這門課的積極性，同時也培養(yǎng)了學(xué)生初步的科研能力，為將來更快更好的融入社會奠定基礎(chǔ)，從而達(dá)到較好的教學(xué)效果[4]。

2理論知識教學(xué)

2.1光的全反射原理

在波動光學(xué)的理論中，當(dāng)光線以入射角從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，即時，入射光在折射率不同的介質(zhì)的交界面處存在折射和反射現(xiàn)象，如圖1所示。

可看出折射角大于入射角，當(dāng)入射角增大時，根據(jù)折射定律，折射角也隨之增大，當(dāng)增大到某一數(shù)值時，折射角。當(dāng)時，折射光線消失，光線全部反射，這時被定義為全反射臨界角。

光在光纖中就是以大于或等于臨界角的方式，在光纖纖芯和包層的交界面，不斷發(fā)生全反射向前傳輸?shù)摹?/p>

2.2光纖SPR原理

光在光纖中傳播遵循全反射原理，當(dāng)光發(fā)生全反射時，會在纖芯與包層的交界面產(chǎn)生呈指數(shù)衰減的倏逝波，倘若在包層表面鍍制有納米級金屬膜，如金膜或者銀膜，則倏逝波會激發(fā)金屬膜表面的自由電子，產(chǎn)生表面等離子體。當(dāng)倏逝波波矢與表面等離子體波矢相等時，兩者將發(fā)生能量耦合，產(chǎn)生表面等離子體共振，即SPR吸收。如此會導(dǎo)致某一波長處的反射光強急劇下降，在光譜曲線上表現(xiàn)為在改波長處的塌陷，這就是表面等離子體共振原理。

通過介紹光纖SPR原理，將傳感器的前沿技術(shù)引入課堂教學(xué)，學(xué)生能了解最新的科研動態(tài)，激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性。

3實驗教學(xué)

除了理論知識的傳授，學(xué)生還需要掌握一定的實驗實踐技能。通過理論和實驗的結(jié)合，提高學(xué)生的動手創(chuàng)新能力。

3.1光纖SPR傳感器測試

如圖2所示，光纖SPR傳感器測試系統(tǒng)包含超連續(xù)譜光源、光纖、SPR傳感區(qū)、光譜儀和計算機。超連續(xù)譜光源注入纖芯直徑為125um的光纖中，剝除1-2cm光纖的包層，露出纖芯，在纖芯處鍍制50-60nm金膜，形成SPR傳感區(qū);光纖另一端接入光譜儀和計算機，分析光譜的變化情況，從而得出SPR傳感器相關(guān)性能參數(shù)。

3.2具體實驗操作

取1m長的塑包光纖（塑料包層光纖，其纖芯為高純度石英玻璃制成，其包層為折射率比石英稍低的如硅膠等塑料制成），在塑包光纖中間處，用刀片剝掉1-2cm的涂敷層和包層，露出纖芯，然后在小型離子濺射儀內(nèi)鍍制50nm厚金膜，按圖2所示搭建實驗測試系統(tǒng)。用事先配好的不同折射率的甘油溶液（蒸餾水和甘油的混合溶液，兩溶液比例不同，所得折射率不同）進行折射率測試，表現(xiàn)為在計算機上的光譜在某一波長處塌陷。保存好各項測試數(shù)據(jù)，并用MATLAB仿真軟件進行數(shù)據(jù)處理，處理后所得圖像如圖3所示。

由圖3可看出，不同折射率溶液在不同的波長處有著不同的反射光強衰減，可看出隨著折射率的升高，衰減方向往長波長方向移動，這就是光纖SPR現(xiàn)象。

在實驗過程中，可以讓學(xué)生動手剝光纖，在顯微鏡下觀察光纖的直徑，并參與光纖的鍍膜過程和測試不同折射率溶液過程，觀察SPR現(xiàn)象，深刻理解SPR的具體操作流程，了解科研，參與科研，既鞏固了基礎(chǔ)知識，擴寬了科研見識，又推動了實驗和理論教學(xué)的同步發(fā)展。

4結(jié)束語

光纖SPR傳感技術(shù)的教學(xué)與實踐探究，意在通過理論闡述和實驗操作結(jié)合教學(xué)，使學(xué)生掌握時代技術(shù)脈搏，了解現(xiàn)代傳感技術(shù)，開闊眼界和知識面;使學(xué)生受到綜合運用多種知識，解決實際問題能力的訓(xùn)練，提高科研能力。另外，在教學(xué)上引入科研，讓科研進課堂、進教材，增強了學(xué)生知識面的深度和廣度。

參考文獻：

[1]趙麗芬，張學(xué)超，陳文娟.“傳感器技術(shù)及其應(yīng)用”課程教學(xué)改革[J/OL].無線互聯(lián)科技，2017，（15）：84-85（2017-09-04）.

[2]彭偉，劉云，張揚，荊振國，陳詩蒙.微結(jié)構(gòu)光纖表面等離子激元共振傳感器的研究[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報，2017，35（04）：434-459.

[3]鄭永剛.前沿科研進入近代物理實驗教學(xué)模式[J].物理實驗，2017，37（05）：32-33.

[4]楊睿.《傳感器原理及應(yīng)用》課程實踐教學(xué)改革與創(chuàng)新[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，33（04）：571-574.