Page 34 - 网络电信2019年4月刊下

解 决 方 案

式中ε 0 是包层介质的介电常数,θ为入射角,ω是入射光的 二、实验系统搭建与性能测试
频率.假定金属膜的平面为XY平面,则表面等离子体波的振动方 1、折射率测量
向则为Z方向,根据SPR的无辐射瞬态电磁场对应的边界条件和麦 首先制作了反射式传感探头,光纤采用600μm直径光纤将
克斯韦方程组可以得出表面等离子体波在金属和电解质交界面 一端去除涂覆层,随后用不同粗糙度的研磨纸将端面磨平,使用
处的波矢为: 小型离子溅射仪(舜仪Saint,js-1600)制备SPR金膜.将制备好
的传感器接入检测系统,如图3所示.配制不同折射率的溶液(折
（2） 射率范围1.33-1.38RIU),对该传感器进行折射率测量实验,如
式中ε 1 是金属层的介电常数,ε 2 是金属膜外环境介质的介 图4中插图所示所示,随着溶液折射率的增加,谐振波长发生红
电常数. 移,谐振波长移动量为77nm,输出图谱有着较好的谐振深度和半
高全宽.图4说明该传感器在测试折射率范围内对折射率的变化
图1 反射式光纤 SPR 传感机理图
2
有良好的线性响应(R =0:99191),其中谐振波长¸(nm)和折射率
n(RIU)之间的关系可以表示为:
λ＝1924.7n-1964.8 (3)
图3 液体折射率温度检测系统实物图

因此,SPR的激发条件可以解释为:表面等离子体波波矢的实
部与倏逝波波矢的X方向分量相等,即k x =real(k sp ),表面等离子
体共振发生.如图1所示,SPR效应对外界介质的折射率很敏感,当
介质折射率发生改变时,SPR的谐振谷的谐振波长会发生移动,这
就是光纤SPR传感的机理.
接下来设计了光纤SPR传感器的折射率温度检测系统.传感
系统结构示意图如图2所示,传感器(1)未涂覆PDMS,传感器(2)
涂覆PDMS.实验系统由卤素灯光源(Ospec ls-3000,波长范围
360~1000nm),Y型分叉光纤(海洋光学,Bif600-vis-nir)以及海 图4 折射率测量图谱与灵敏度曲线
洋光谱仪(Oceanopticsusb2000+)组成.光从光源射出,通过Y型
光纤一端传输到调制区,传感器探头将光反射后进入光谱仪进行
解调,最后通过光谱仪在电脑上得到输出图谱.传感器采用反射
式结构,采用600¹m直径的光纤,对去除包层的传感区镀金膜来激
发SPR以实现对溶液折射率的测量,随后将一半长度的金膜区域
涂覆PDMS来实现温度的测量,最后通过引入双波长矩阵来补偿温
度对折射率测量的影响.因此,该检测系统可以实现对溶液折射
率和温度的同时测量.

图2 折射率温度检测系统结构图

可以看出,这种反射式SPR传感器对折射率的变化有着较好
的灵敏度,达到了1924.7nm/RIU.随后对该传感器的重复性和稳
定性进行了测量.对折射率范围在1.33-1.38RIU的溶液进行了重
复测量,最终绘制出如图5所示的误差棒图,发现该传感器具有良
好的重复性.接下来对以折射率为1.3431RIU的溶液为例,测试了
传感器的稳定性,结果如图6所示,可以发现传感器在较长时间内
保持相对稳定,具有良好的稳定性.在稳定性测量实验时我们发
现谐振波长有着轻微漂移,如图6插图所示,我们推测这是由于室

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