基于Otto結(jié)構(gòu)的光纖SPR微位移傳感器

王雁茹，趙春柳，康 娟

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 光電子技術(shù)研究所，杭州310018）

基于Otto結(jié)構(gòu)的光纖SPR微位移傳感器

王雁茹，趙春柳，康 娟

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 光電子技術(shù)研究所，杭州310018）

提出一種基于Otto結(jié)構(gòu)的高靈敏度光纖表面等離子體共振（SPR）微位移傳感器。通過(guò)有限元分析軟件COMSOL Multi physi csU LTIPH Y SICS對(duì)該傳感器的傳感特性進(jìn)行了理論數(shù)值研究，分析了表面等離子體共振波長(zhǎng)與位移變化的關(guān)系。

表面等離子體共振（SPR）；光纖；微位移傳感器；靈敏度

0 引言

近年來(lái)，微位移傳感器廣泛應(yīng)用于微電子、精密測(cè)量、生物工程和掃描顯微鏡等領(lǐng)域[1]。最初的位移傳感器是基于高級(jí)集成電路和現(xiàn)代仿真分析方法[2]實(shí)現(xiàn)的，為達(dá)到最佳精度，文獻(xiàn)[3]提出了壓電陶瓷轉(zhuǎn)換器與電容相結(jié)合的位移傳感器，但這些傳感器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工作環(huán)境十分有限。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，基于光纖的微位移傳感器因其靈敏度高、體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)被廣泛研究[4～8]，不過(guò)，這些傳感器表現(xiàn)出的精度大都在微米范圍內(nèi)甚至更小，不適用于納米位移或精確的測(cè)量?；诒砻娴入x子體共振（surface plasmon resonance，SPR）的光纖傳感器是一種通過(guò)激發(fā)SPR效應(yīng)獲得物質(zhì)信息的新型傳感器，在生命科學(xué)、醫(yī)療檢測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用[9～11]，一些基于光子晶體光纖、側(cè)面拋磨光纖、錐形光纖的表面等離子體共振傳感器[12～14]用于折射率測(cè)量時(shí)，其靈敏度高達(dá)106nm/RIU，比普通基于光纖的折射率傳感器要高出許多?？紤]到基于SPR的傳感器具有超高靈敏度的特點(diǎn)，為解決納米位移的精確測(cè)量問(wèn)題，本文提出一種基于Otto結(jié)構(gòu)[15]的SPR微位移傳感器。

圖1 基于Otto結(jié)構(gòu)的光纖SPR微位移傳感器結(jié)構(gòu)

1 傳感器結(jié)構(gòu)和傳感原理

基于Otto結(jié)構(gòu)的表面SPR微位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感頭由單模光纖的等離子端面、空氣間隙和側(cè)邊刨磨光纖組成，單模光纖的等離子端面是在單模光纖的端面鍍一層金膜形成，側(cè)面拋磨光纖是利用拋磨技術(shù)將光纖的部分包層去掉。圖1中，dcl表示側(cè)面拋磨光纖的剩余包層厚度，dair表示空氣間隙的寬度，也就是傳感器的位移，dm和dco分別表示金膜的厚度和單模光纖纖芯的厚度。當(dāng)光從外界進(jìn)入側(cè)面拋磨光纖時(shí)，由于包層厚度減少，部分纖芯模會(huì)以倏逝波的形式耦合到空氣間隙中傳播，傳播到單模光纖的金屬端面時(shí)會(huì)激發(fā)金屬膜表面的等離子體波。當(dāng)入射光波矢沿Z軸的分量與表面等離子體波波矢相同時(shí)，二者將在空氣間隙與金膜界面處發(fā)生能量耦合，部分入射光的能量被表面等離子體波吸收，從而導(dǎo)致反射光能量急速減少，在反射譜上得到共振吸收峰。由于在鍍金屬薄膜表面引起的SPR效應(yīng)極易受周圍環(huán)境的影響，因此，改變空氣間隙的厚度，共振峰的位置會(huì)發(fā)生變化。我們可通過(guò)檢測(cè)共振峰位置的變化，實(shí)現(xiàn)空氣間隙（位移）的監(jiān)測(cè)。

2 傳感器傳感特性的理論研究和結(jié)果分析

本文采用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)傳感器的傳感特性進(jìn)行理論數(shù)值研究。在模擬仿真中，單模光纖端面鍍的金膜厚度為45nm，空氣間隙的寬度為5nm，剩余包層的厚度為100nm。研究表明，在激發(fā)波長(zhǎng)為704nm時(shí)，單模光纖端面金膜與空氣間隙的界面處發(fā)生SPR共振效應(yīng)，在金膜表面的電場(chǎng)能量有局部加強(qiáng)的現(xiàn)象。

本文設(shè)計(jì)的微位移傳感器的結(jié)構(gòu)可看作是由側(cè)邊刨磨去除包層的光纖的纖芯層、包層、空氣間隙層和金膜層構(gòu)成的多層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。側(cè)邊刨磨光纖剩余包層的厚度將影響傳感器的性能，如果側(cè)邊刨磨光纖剩余包層的厚度太厚，會(huì)使基模耦合成的倏逝波能量降低。我們將剩余包層厚度 dcl分別設(shè)置為 100nm、150nm和200nm，金膜的厚度為45nm，空氣間隙的寬度為5nm，得到的SPR光譜圖如圖2所示。隨著剩余包層厚度的增加，SPR共振波長(zhǎng)向短波方向漂移，且SPR波長(zhǎng)的曲線變得越來(lái)越寬。因此，本文認(rèn)為剩余包層的厚度為100nm時(shí)最佳。

圖2 SPR光譜與側(cè)邊刨磨光纖包層厚度的關(guān)系圖

單模光纖端面金膜的厚度也是影響該傳感器傳感性能的一個(gè)重要參數(shù)。如果金屬膜的厚度太薄，由于金屬自身的散射損耗，表面等離子體波將很快被衰減損耗掉，很難激發(fā)SPR效應(yīng)；如果金屬膜的厚度太大，由于金屬的強(qiáng)吸收作用，使得表面等離子體波很快被吸收，不能有效產(chǎn)生SPR諧振效應(yīng)。我們將單模光纖端面鍍的金膜厚度dm分別設(shè)置為40nm、45nm、50nm、55nm和60nm，側(cè)面拋磨光纖的剩余包層厚度為設(shè)置為100nm，空氣間隙的寬度設(shè)置為5nm，得到SPR光譜隨單模光纖端面金膜厚度變化的變化圖，具體如圖3所示。隨著金膜厚度的增加，SPR諧振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移，SPR光譜變得越來(lái)越寬，SPR諧振波長(zhǎng)的諧振峰峰谷變得越來(lái)越淺。這種現(xiàn)象表明，當(dāng)金膜的厚度超過(guò)60nm時(shí)，由于金屬的強(qiáng)吸收作用，基于該結(jié)構(gòu)的傳感器將很難激發(fā)產(chǎn)生SPR效應(yīng)。

圖3 SPR光譜與金膜厚度的關(guān)系圖

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，本文選取以下結(jié)構(gòu)參數(shù)制作基于SPR效應(yīng)的微位移傳感器傳感頭：?jiǎn)文９饫w端面的金膜厚度為45nm，側(cè)面拋磨光纖的剩余包層厚度為100nm，光纖纖芯和包層折射率的分別設(shè)置為1.46和1.45。我們將空氣間隙寬度的改變作為位移的變化，運(yùn)用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)該傳感器進(jìn)行數(shù)值模擬，位移變化為0.5～10nm，變化的步長(zhǎng)為0.5nm，得到位移為1nm、3nm、5nm、7nm、8nm、9nm和10nm時(shí)SPR光譜的變化圖如圖4所示。隨著位移增加，SPR光譜向短波漂移，SPR光譜的峰谷變得越來(lái)越寬且越來(lái)越淺，說(shuō)明在金膜表面的倏逝場(chǎng)能量越來(lái)越弱。當(dāng)位移在10nm時(shí)，SPR光譜曲線的峰谷變得非常淺且寬。這表明當(dāng)位移超過(guò)10nm時(shí)，基于該結(jié)構(gòu)的微位移傳感器傳感頭的SPR效應(yīng)將很難被激發(fā)。

圖4 SPR光譜隨空氣間隙(位移)變化的變化圖

本文利用Matlab 2013Rb對(duì)位移和對(duì)應(yīng)的SPR諧振波長(zhǎng)進(jìn)行了線性擬合和分析，兩者之間的關(guān)系圖如圖5所示。當(dāng)位移變化為0.5～10nm，步長(zhǎng)間隔為0.5nm時(shí)，SPR諧振波長(zhǎng)變化為884.62～585.88nm，SPR諧振波長(zhǎng)漂移了298.74nm，表明基于該結(jié)構(gòu)的納米位移傳感器的平均靈敏度為31.45nm/nm。同時(shí)，我們利用軟件對(duì)SPR諧振波長(zhǎng)和空氣間隙寬度進(jìn)行函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)隨著空氣間隙變化，SPR諧振波長(zhǎng)呈正弦曲線變化。當(dāng)位移區(qū)間為0.5～10nm時(shí)，曲線的表達(dá)式為：

圖5 SPR諧振波長(zhǎng)與空氣間隙寬度(位移)之間的擬合關(guān)系圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于Otto結(jié)構(gòu)的SPR微位移傳感器，把Otto結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化到單模光纖上激發(fā)SPR效應(yīng)。傳感頭由單模光纖的等離子端面、空氣間隙和側(cè)邊刨磨光纖組成，通過(guò)有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)傳感器的傳感特性進(jìn)行了數(shù)值理論研究，研究結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的微位移傳感頭可以有效激發(fā)SPR效應(yīng)，在空氣間隙為0.5～10nm范圍內(nèi)，SPR共振波長(zhǎng)隨空氣間隙的增大逐漸向短波方向漂移，靈敏度高達(dá)31.45nm/nm。

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Fiber SPR micro-displacement sensor based on Otto structure

WANG Yan-ru,ZHAO Chun-liu,KANG Juan
(Institute of Optoelectronic Technology,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

The paper proposes a highly sensitive fiber SPR micro-displacement sensor based on Otto structure. It simulates the sensing properties of sensor numerically by the finite element method(FEM)analysis software COMSOL Multiphysics,and analyzes the relationship of the surface plasmon resonance wavelength with the displacement change.

surface plasmon resonance(SPR),optical fiber,micro-displacement sensor,sensitivity

TP212

A

1002-5561（2016）04-0030-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.010

2015-12-16。

國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：Nos.61505194）資助；浙江省國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2013C24018）資助。

王雁茹（1991-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感。