基于H 型結(jié)構(gòu)光纖SPR 的折射率傳感研究

陳致遠(yuǎn)， 董興法， 劉志偉

（蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）技術(shù)是光纖傳感領(lǐng)域的新興技術(shù)。它的原理是將金屬薄膜鍍在纖芯表面，當(dāng)入射光接入光纖時(shí)在金屬-纖芯表面處激發(fā)表面等離子體波[1]。 SPR 技術(shù)因其靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短以及檢測實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)在醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測和生物化學(xué)研究中有廣泛應(yīng)用[2]。

基于SPR 技術(shù)的傳感光纖設(shè)計(jì)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。2011 年，Xia Li 等人[3]首次在理論上提出了一種雙通道SPR 傳感器用于測量硅油的折射率變化，該傳感器的靈敏度較傳統(tǒng)（非SPR）偏振光纖傳感器提高了約40 倍。2012 年，蔣奇等人[4]設(shè)計(jì)制作了基于傾斜光纖光柵的SPR 濃度傳感器，通過實(shí)驗(yàn)證明了鍍金后的傾斜光柵折射率傳感靈敏度較未鍍金時(shí)有顯著提高。 2018 年，Jing J Y 等人[5]設(shè)計(jì)了碳納米管沉積金薄膜光子晶體光纖SPR 傳感器，在提高靈敏度的同時(shí)有著極其優(yōu)異的生物相容性，對牛血清白蛋白的測量有很好的效果。 2019 年，Kamkar A 等人[6]提出了H 型SPR 傳感器并研究了不同金屬鍍膜后的傳感效果，在波長為320～620 nm 時(shí)鍍銀H 型SPR 傳感器最高靈敏度為2.17×104nm·RIU-1。這種H 型SPR 傳感器展示了其優(yōu)越的傳感性能，但仍存在一些問題。首先，制作比較困難，直接在纖芯外鍍金屬后再敷上包層，需要特殊的工藝；其次，H 型SPR 傳感器破壞了光纖本身的物理結(jié)構(gòu)，過大的分析層和空氣孔使光纖易折易斷，不適應(yīng)現(xiàn)實(shí)傳感時(shí)的復(fù)雜環(huán)境。

基于原有的H 型SPR 傳感器，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、 抗彎抗折以及能夠適應(yīng)復(fù)雜情況的高靈敏度新型H 型SPR 傳感器。 該傳感器使用金屬有機(jī)框架（Metal organic Framework，MOFs）結(jié)構(gòu)增大分析層與溶液的接觸面積，減小空氣孔的體積以提高光纖傳感器的機(jī)械強(qiáng)度。

1 理論分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的新型H 型SPR 傳感器截面如圖1 所示， 首先使用傳統(tǒng)的纖芯-包層結(jié)構(gòu)，這樣可以通過成熟的制棒拉絲工藝[7]制作。 其次，在上下分別打孔，采用電介質(zhì)-金屬-電介質(zhì)（Dielectric-Metal-Dielectric，DMD）結(jié)構(gòu)[8]制作SPR 傳感區(qū)域，這種結(jié)構(gòu)可以通過改變金屬層和電解質(zhì)層的厚度獲得更高、更窄、強(qiáng)度相近的等離子體峰，使光纖傳感器在更廣的波長區(qū)域工作，有利于提高傳感器的靈敏度。 截面中纖芯半徑為4 μm，包層半徑為40 μm。

圖1 新型H 型SPR 傳感器截面圖

該結(jié)構(gòu)中背景材料為二氧化硅，其折射率可以用色散方程求解

這里n（λ）為不同波長下二氧化硅的有效折射率，色散方程系數(shù)為：B1=0.696 166 3，B2=0.407 942 6，B3=0.897 479 4，C1=4.68×10-3μm2，C2=1.35×10-2μm2，C3=97.92 μm2。 在波長為1.525 μm～1.564 μm 時(shí)，二氧化硅的有效折射率為1.442 6～1.443 6。 在DMD 結(jié)構(gòu)中，金屬層的介電常數(shù)ε 可以通過Drude-Lorentz 模型近似表示

其中，Pin是光源輸入的光功率，Pout是透過光纖的光功率。 不同光纖對同種液體折射率變化的敏感程度不同，所以靈敏度Sλ是評價(jià)光纖傳感效果優(yōu)劣的重要指標(biāo)。 其計(jì)算方法如下

其中，△λpeak為波長峰值的變化量，△na為被測溶液折射率的變化量，Sλ單位為nm·RIU-1。 通過該式計(jì)算不同光纖傳感器在溶液折射率變化時(shí)的靈敏度。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

文中采用基于有限元方法的COMSOL 5.6 軟件進(jìn)行仿真， 通過在電磁波和頻域兩個(gè)方面計(jì)算極化解得所有結(jié)果。繪制完光纖幾何特性后，在光纖最外層設(shè)置散射邊界條件，避免邊界不必要的散射。為了得到更精確的仿真結(jié)果、提高收斂性和減小誤差，使用用戶自定義的網(wǎng)格，光纖芯層的最大尺寸為λ/5 （λ 為工作波長），介質(zhì)層的最大尺寸為dd/8（dd為電介質(zhì)層厚度），金屬層的最大尺寸為dm/10（dm為金屬層厚度）。 采用寬度為0.3 μm，最大網(wǎng)格尺寸為λ/5 的笛卡爾完美匹配層。這樣的配置為傳感器的仿真結(jié)果精度提供了保障。

2.1 模式分析

首先從麥克斯韋方程入手，通過電磁分離、時(shí)空分離、縱橫分離之后得到光纖的本征值方程。 然后將新型H 型SPR 傳感器的邊界條件代入方程，使用COMSOL 進(jìn)行基于有限元方法的模式分析。 對于子午光線而言，光纖傳播不會(huì)激發(fā)SPR，其模式為基模，如圖2 所示。 在一定的入射角度下，光動(dòng)量[10]與表面等離子體波匹配就會(huì)發(fā)生共振，反射光強(qiáng)度降低，這個(gè)角度稱為共振角，這種模式稱為表面等離子體極化（SPPs，Surface Plasmon Polaritons）模式。當(dāng)入射光角度過大，不滿足全反射條件時(shí)，就會(huì)在纖芯-包層處產(chǎn)生折射，光線泄露到包層稱為泄露模。 在SPR 傳感時(shí)三種模式均存在，但只有基模和SPPs 模式對傳感有意義。

圖2 新型H 型SPR 傳感器的基模

不同材料制作的金屬層由于折射率不同會(huì)產(chǎn)生不同的模式。 文中就對金、銀、鋁、鈦四種金屬進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3 所示。在入射光為1.525 μm～1.565 μm 時(shí)，4 種金屬基模差別不大。因?yàn)殁伒恼凵渎时容^大，入射光大部分泄露到包層，不能在金屬層形成穩(wěn)定的SPPs 模式。剩下的3 種金屬中，鋁的SPPs 模式結(jié)構(gòu)最清晰，激發(fā)效果最好，文中將使用鋁作為金屬層，制作新型H 型SPR 傳感器。

圖3 金、銀、鋁、鈦的基模和SPPs 模式

2.2 透射功率譜分析

根據(jù)透射功率表達(dá)式，可以繪制出不同波長下兩種光纖傳感器的透射功率譜。 圖4 所示的是空氣中的透射功率譜，可以看出新型H 型SPR 傳感器的初始波峰較為靠前。 圖5 所示的是加入0.33 g·mL-1氯化鈉溶液（n=1.37）時(shí)的透射功率譜，可以看出新型H 型SPR 傳感器的截止波峰較為靠后。 SPR 傳感的依據(jù)是不同折射率的待測物體引起波峰的紅移，通過測量波峰位置變化間接測量溶液折射率變化。 兩種SPR 傳感都能滿足折射率傳感要求，但新型H 型SPR 傳感器有更廣的波峰變化范圍。

圖4 當(dāng)分析物為空氣（n=1）時(shí)的透射功率譜

圖5 當(dāng)分析物為0.33 g·mL-1 的氯化鈉溶液（n=1.37）時(shí)的透射功率譜

對特定折射率的氯化鈉溶液進(jìn)行仿真，分析兩種傳感器透射功率特性。 圖6 為原H 型SPR 傳感器的透射功率譜，隨著折射率增長，波峰紅移現(xiàn)象存在，但在n=1.35 和n=1.36 兩個(gè)折射率情況下，波峰比較接近，有混疊的可能。 圖7 處顯示的是新型H 型SPR 傳感器的透射功率譜，隨著折射率增長，新型H 型SPR 傳感器的波峰紅移現(xiàn)象非常明顯。 由于波峰分布較廣，一種折射率的波峰與其他折射率的波峰間隔較遠(yuǎn)，不易產(chǎn)生混疊，提高了傳感精度。

3 實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)圖6、圖7 中兩種光纖的透射功率變化，可以計(jì)算出在折射率為1.33～1.37 時(shí)，原H 型SPR 傳感器平均靈敏度為350 nm·RIU-1， 新型H 型SPR 傳感器平均靈敏度為525 nm·RIU-1。 在仿真模型中新型H 型SPR 傳感器靈敏度提升了175 nm·RIU-1，接下來通過實(shí)驗(yàn)測試兩種光纖的靈敏度。

圖6 折射率為1.33～1.37 時(shí)原H 型SPR 傳感器透射功率譜

圖7 折射率為1.33～1.37 時(shí)新型H 型SPR 傳感器透射功率譜

搭建光纖折射率測試平臺(tái)如圖8 所示，通過單模光纖連接整套系統(tǒng)。 使用的光源為飛秒光纖激光器[11]，工作波長是（1 550±30） nm。 光纖放置在使用惰性材料制成的溶液腔內(nèi)。 利用光譜分析儀中記錄折射率變化時(shí)透射功率譜的變化，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端處理。 具體實(shí)驗(yàn)步驟：首先，準(zhǔn)備5 份100 mL 的蒸餾水和100 g純凈的氯化鈉粉末。通過阿貝折射率儀，分別配制折射率為1.33、1.34、1.35、1.36 和1.37 的氯化鈉溶液備用。將其中一份氯化鈉溶液放入溶液腔中，使被測光纖與溶液充分接觸，打開光源和光譜分析儀，得到該折射率下的透射功率譜，保存在電腦端。 然后關(guān)閉光源和光譜分析儀，取下溶液腔，將其中的溶液倒出，并用蒸餾水洗凈，這樣為一次完整的折射率實(shí)驗(yàn)。重復(fù)10 次后，得到各個(gè)折射率下兩種光纖傳感器的透射功率譜，將n=1.33 處的波峰位置記為初始位置，整理數(shù)據(jù)得到溶液折射率與波長峰值漂移量線性擬合曲線，如圖9 所示。

圖8 光纖折射率測試平臺(tái)

在圖9 中，波長峰值漂移量與溶液折射率變化量的比值就是光纖傳感的靈敏度。 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，可以得到在折射率為1.34～1.35 處，新型H 型SPR 傳感器靈敏度提高了86 nm·RIU-1；在折射率為1.36～1.37處，新型H 型SPR 傳感器靈敏度提高了376 nm·RIU-1；在折射率為1.33～1.37 的變化中，平均靈敏度提高了168 nm·RIU-1。 實(shí)驗(yàn)證明了新型H 型SPR 傳感器在溶液折射率為1.33～1.37 的范圍內(nèi)提高了傳感的靈敏度，滿足了對溶液折射率微小變化測量的要求。

圖9 溶液折射率-波長峰值漂移量線性擬合曲線

4 結(jié)語

基于MOFs 結(jié)構(gòu)對原H 型SPR 傳感器進(jìn)行改良，設(shè)計(jì)了新型H 型光纖SPR 傳感器。 通過不同金屬的模式分析，發(fā)現(xiàn)金屬層為鋁時(shí)SPPs 極化效果最好。 通過透射功率譜分析，新型H 型SPR 傳感器具有波峰變化范圍廣、傳感精度高等優(yōu)點(diǎn)。在靈敏度方面，通過實(shí)驗(yàn)測量，在溶液折射率為1.33～1.37 范圍內(nèi)，新型H 型SPR傳感器平均靈敏度較原H 型SPR 傳感器提高了168 nm·RIU-1。該文探索了光纖結(jié)構(gòu)和鍍膜金屬種類對SPR傳感的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化溶液折射率傳感器靈敏度和穩(wěn)定性提供了一種新思路。