CN102393381A - 一种等离子体共振传感装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体共振传感装置及其应用。所述的等离子体共振传感装置包括一个条波导和一个基板，在所述条波导的上表面及所述基板的下表面均镀有一层金属薄膜；且在条波导的上表面所镀的金属薄膜与在基板的下表面所镀的金属薄膜完全对称相同。应用所述的传感装置进行的在线检测系统的特征是将被检测介质置于所述传感装置中的两层金属薄膜之间，使形成条波导激励的金属-介质-金属的对称结构。本发明采取条波导激励对称结构的技术，实现了被检测物质的折射率与条波导的匹配及条波导与光纤端面的直接耦合对接，从而同时实现共振条件的可调性和在线检测，且具有使用方便、结构简单等优点。

Description

一种等离子体共振传感装置及其应用

技术领域

本发明是涉及一种等离子体共振传感装置及其应用，属于光电技术领域。

背景技术

关于表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)这一电磁场效应的最早记载可以追溯到1900年，SPR技术自上世纪80年代初引入到传感器领域，发展十分迅猛，美、英、日等国对该项技术都进行了广泛的研究应用。SPR传感器的迅猛发展与它独特的优点是分不开的，它具有实时检测，感应快速，灵敏度高，无污染，样品需要量少、不需纯化及免标记等特点。人们可以不断地改进其结构，扩展其应用领域。它的应用更多地集中于生物、医学领域，SPR传感器被誉为最具潜力的物质浓度传感器。SPR技术不仅能测定生物分子的浓度，而且可以同时研究生物分子间结合和解离的动力学行为，具有直接提供分子间相互作用信息的本领。SPR测定不仅不会破坏生物分子的天然状况，而且通过对测试表面进行修饰，还能为生物大分子提供模拟的体内环境。SPR的这些优点，使其近年来在国内外受到高度的重视，2002年七月《Nature》杂志社的评论杂志《NatureReviews Drug Discovery》在文章“Optical biosensors in drug discovery”较详细评价了SPR技术的广泛应用前景，认为有可能发展成具有广泛通用性的新型生物研究平台。

从现有的研究状况来看，SPR传感技术具备了在生物学、医学、化学、制药以及环境监测、食品安全等许多领域广泛应用的潜力。但已经商品化的SPR分析仪，由于价格昂贵、体积大、不易携带等，大多数还仅局限在科研和实验室中使用。为了推广使用，国内外厂家都在竞相开发成本低、使用方便、抗环境干扰强、灵敏度高和性能稳定的新型结构的SPR传感器。

目前，按照表面等离子体共振的产生方式可分为棱镜耦合型、波导耦合型、光纤耦合型和光栅耦合型。棱镜式SPR传感器的研究相对较成熟，其特点是等离子体共振激励方式简单、容易实现、性能稳定，已经有商品化产品。但其需要昂贵的精密角度转动装置和控制系统，较难实现在线测量，如何提高棱镜式SPR传感器的分辨率，在实验室中的研究仍相当热门。早在1987年就有人提出用衍射光栅作为光波的耦合方式，但随后的研究报道一直不多，其原因除金属衍射光栅的制作有一定的困难外，在应用上也有一定的局限性，其要求入射光波透过样品，对样品的透光性有苛刻要求。波导结构与光纤结构的SPR传感器具有体积小、结构简单、测量简易、快速、稳定、易于实现在线测量和多通道检测等特点，是SPR传感器的主要发展的主要趋势；波导型结构模式比光纤结构便于分析因此受到了广泛的关注。大部分波导型SPR传感器采用平面波导结构，无法实现与光纤的固化对接，光波的输入/输出必须采用棱镜耦合等精细操作方式，导致工作环境要求高、测试操作难度大等问题。采用条波导构造、形成与光纤对接固化结构是较好的选择。但是在一定波长下，由于常规多成分玻璃条波导的导模传播常数较大，在激发等离子体表面波时对被测物质的折射率提出了严格的匹配要求，限制了被测物质的种类和浓度变化的测量范围。

发明内容

针对现有技术所存在的上述问题和缺陷，本发明的目的是提供一种能同时实现在线测量与结构可调性的等离子体共振传感装置及其应用。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种等离子体共振传感装置，包括一个条波导和一个基板，在所述条波导的上表面及所述基板的下表面均镀有一层金属薄膜；且在条波导的上表面所镀的金属薄膜与在基板的下表面所镀的金属薄膜完全对称相同。

所述的条波导优选为单模条波导。

所述的金属薄膜优选为金、银或铝薄膜。

所述的金属薄膜层的厚度优选为30～80nm。

所述的金属薄膜层的长度优选为4～6mm。

所述的金属薄膜层采用真空热蒸发镀膜工艺制备而得。

一种应用所述的等离子体共振传感装置进行的在线检测系统，其特征在于：将被检测介质置于所述传感装置中的两层金属薄膜之间，使形成条波导激励的金属-介质-金属的对称结构。

所述的在线检测系统，包括光源、光纤输入装置、光纤输出装置和光信号处理装置，所述光源与光纤输入装置相连接，所述光纤输出装置与光信号处理装置相连接，其特征在于：所述光纤与所述等离子体共振传感装置中的条波导采用端面直接耦合对接。

本发明的光学原理是：由于金属的特殊光学性质，使得金属与介质界面处可传输等离子体表面波(Surface Plasmon Wave，简称SPW)。当入射光模式为TM模，入射光沿平行于界面的波矢分量为k_z，若存在等离子体表面波，其波矢k_sp如果满足：

k_z＝k_sp            (1)

当入射光在金属薄膜层中激发等离子体表面波时，光谱中某一小范围内会出现衰减吸收现象。

本发明中，光波在条波导中传播，当光波进入金属镀膜的对称区域时，消逝波将穿透金属薄膜层激发表面等离子体共振(SPR)现象，这样可在波导出口检测到光功率的变化，从而实现对介质的检测。

与现有技术相比，本发明具有积极和明显的效果：采取条波导激励方式，易于光信号的分析；通过在条波导和基板表面分别镀上一层金属薄膜，使形成“金属-介质-金属”的对称结构，通过调整两金属薄膜层间的介质厚度，可实现被检测物质的折射率与条波导的匹配，以致有效激励等离子体表面波，使共振条件具有可调性。另外，因本发明所述的等离子体共振传感装置中的条波导可实现与光纤端面的直接耦合对接，因而所述装置同时可实现在线检测，具有使用方便、稳定性好、应用范围广、便于实现微型化及结构简单等优点。

附图说明

图1是本发明提供的一种等离子体共振传感装置的结构示意图；

图2是本发明中所述的条波导与光纤进行端面耦合的结构示意图；

图3是本发明中所述的在线检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种等离子体共振传感装置，包括一个条波导1和一个基板2，在所述条波导1的上表面镀有一层金属薄膜1a及在所述基板2的下表面镀有一层金属薄膜2a；且金属薄膜1a与金属薄膜2a完全对称相同。

所述的条波导1优选为单模条波导。

所述的金属薄膜优选为金、银或铝薄膜。

所述的金属薄膜层的厚度优选为30～80nm。

所述的金属薄膜层的长度优选为4～6mm。

所述的金属薄膜层采用真空热蒸发镀膜工艺制备而得。

应用所述的等离子体共振传感装置进行的在线检测系统，是将被检测介质3置于所述传感装置中的金属薄膜1a与金属薄膜2a之间，使形成条波导激励的金属-介质-金属的对称结构。

设被检测介质的厚度为d，介电常数为金属薄膜层的介电常数为

则它们之间具有如下关系：

${\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(m\right)}={\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}+j{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rI}}^{\left(m\right)},$ ${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}<0,$ $\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|>>{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rI}}^{\left(m\right)},{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}<\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|---\left(2\right)$

其中：为金属薄膜层的相对介电常数，它由实部

和虚部

组成。

由于本发明条波导激励的“金属-介质-金属”结构与对称波导结构相似，色散关系采用介质波导的模方程：

$\mathrm{\&kappa;d}=\mathrm{m\&pi;}+2{\tan }^{-1}\left[{\left(\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(m\right)}}\right)}^{\mathrm{\&eta;}}\frac{q}{\mathrm{\&kappa;}}\right],m=\mathrm{0,1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\mathrm{\&eta;}=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{TE}\mathrm{mod}e\\ 1& \mathrm{TM}\mathrm{mode}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中： $\mathrm{\&kappa;}=\sqrt{k_0^2{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}-{\mathrm{\&beta;}}^2},$ $q=\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2-k_0^2{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(m\right)}},$

其中：为介质的相对介电常数，β是波导模的传播常数，d是被检测介质的厚度(即对称波导结构的间隙)。

如果仅限于讨论模式特性，不计波导模的传输损耗，那么可以忽略金属薄膜层的相对介电常数的虚部，则式(3)变为：

$\mathrm{\&kappa;d}=\mathrm{m\&pi;}+2{\tan }^{-1}\left[{\left(\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}}\right)}^{\mathrm{\&eta;}}\frac{q}{\mathrm{\&kappa;}}\right],m=\mathrm{0,1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\mathrm{\&eta;}=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{TE}\mathrm{mod}e\\ 1& \mathrm{TM}\mathrm{mode}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中： $\mathrm{\&kappa;}=\sqrt{k_0^2{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}-{\mathrm{\&beta;}}^2},$ $q=\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2-k_0^2{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(m\right)}};$

在式(4)中，取m＝0，得到TM₀模的本征方程：

$\mathrm{\&kappa;d}=-2{\tan }^{-1}\left[\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}}{\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|}\frac{q}{\mathrm{\&kappa;}}\right],\mathrm{\&kappa;}=\sqrt{k_0^2{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}-{\mathrm{\&beta;}}^2},q=\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2+k_0^2\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|}---\left(5\right)$

式(5)中，当K＞0时，无解；由此得出结论：在

范围内，式(5)无解，TM₀模在此范围内不成立。

当

时，式(5)变成：

$j{\mathrm{\&kappa;}}^{\&prime;}d=-2{\tan }^{-1}\left[\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}}{\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|}\frac{q}{{\mathrm{j\&kappa;}}^{\&prime;}}\right]=2{\tan }^{-1}\left[j\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}}{\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|}\frac{q}{{\mathrm{\&kappa;}}^{\&prime;}}\right],\mathrm{\&kappa;}=j{\mathrm{\&kappa;}}^{\&prime;}=j\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2-k_0^2{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}},q=\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2+k_0^2\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|}---\left(6\right)$

利用恒等式：

tan^-1(jθ)＝jtanh^-1θ这里 ${\tanh }^{-1}\mathrm{\&theta;}=\frac{1}{2}\ln \left(\frac{1+\mathrm{\&theta;}}{1-\mathrm{\&theta;}}\right)---\left(7\right)$

式(6)变为：

${\mathrm{\&kappa;}}^{\&prime;}d=2{\tanh }^{-1}\left[\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}}{\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|}\frac{q}{{\mathrm{\&kappa;}}^{\&prime;}}\right],{\mathrm{\&kappa;}}^{\&prime;}=\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2-k_0^2{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}},q=\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2+k_0^2\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|}---\left(8\right)$

由于

是一个虚数，在波导薄膜(0≤x≤d)中的TM₀模的波动方程为：

$\frac{{\&PartialD;}^2{H}_y}{{\&PartialD;x}^2}+{\mathrm{\&kappa;}}^2{H}_y=\mathrm{0,0}\&le;x\&le;d,\mathrm{\&kappa;}=j{\mathrm{\&kappa;}}^{\&prime;}---\left(9\right)$

上式的特征方程为：

$r^2-{\left({\mathrm{\&kappa;}}^{\&prime;}\right)}^2=0,r_{\mathrm{1,2}}=\&PlusMinus;\sqrt{{\mathrm{\&kappa;}}^{\&prime;}}---\left(10\right)$

特征方程的特征根是两个不等的实数，式(9)的解Hy(x)是关于x的指数函数，代表了表面波场分布的基本特征。

因此，TM₀模不是导模，而是一种表面波。

TM₀表面波的有效折射率范围是：

$\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}}<\sqrt{\frac{\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}}{\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|-{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}}}\&le;(N=\frac{\mathrm{\&beta;}}{k_0})<\&infin;---\left(11\right)$

若忽略金属薄膜层的相对介电常数中较小的虚部，则由式(6)、(7)可以得到：

$d=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2-k_0^2{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}}}*\{\ln (1+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2+k_0^2\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|}}{\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2-k_0^2{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}}})-\ln (1-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2+k_0^2\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|}}{\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|\sqrt{{\mathrm{\&beta;}}^2-k_0^2{|\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}|}}\left)\right\}---\left(12\right)$

可见，对称波导结构的间隙d是波导模的传播常数β的函数。

由前面的理论推导可知，在0＜d＜∞内调节两金属薄膜层的间隙，表面等离子体波可以TM₀模的形式被激励，TM₀模的传播常数可在 $k_0\sqrt{\left|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}\right|{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)}/\left(\right|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{rR}}^{\left(m\right)}|-{\mathrm{\&epsiv;}}_r^{\left(g\right)})}<\mathrm{\&beta;}<\&infin;$ 内取值。

因此，调节本实施例被检测介质的厚度d，使条波导TM模的传播常数与表面等离子体波的TM₀表面波的传播常数同步，可满足共振条件，实现用条波导的TM模激励表面等离子体波。由于共振条件与间隙中介质的相对介电常数有关，故可用于物质折射率的检测。

如图3所示：利用本发明所述的传感装置构建的在线检测系统，包括光源10、光纤输入装置11、光纤输出装置12和光信号处理装置16，所述光源10与光纤输入装置11相连接，所述光纤输出装置12与光信号处理装置16相连接，等离子共振传感装置4固定在三维调整座13上；所述等离子共振传感装置中的单模条波导1的端面与光纤输入装置11、光纤输出装置12的端面采取直接耦合对接；光纤输入装置11、光纤输出装置12分别固定在六维调整台14上，六维调整台14的X轴、Y轴、Z轴、θx转动轴、θy转动轴和θz转动轴由步进电机15驱动，光信号处理装置16通过指令实现对六维调整台14的控制；光纤输出装置12连接有光功率仪17，光功率仪17连接到光信号处理装置16上；稳压电源18给整个检测系统提供动力。

检测过程中，将被检测介质3设置在等离子共振传感装置4中的单模条波导1与基板2之间，通过微调机构来调节被检测介质3的厚度，通过光功率仪17来检测光信号的功率变化，并最终由光信号处理装置16进行输出。

最后有必要说明的是：以上内容只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种等离子体共振传感装置，其特征在于：包括一个条波导和一个基板，在所述条波导的上表面及所述基板的下表面均镀有一层金属薄膜；且在条波导的上表面所镀的金属薄膜与在基板的下表面所镀的金属薄膜完全对称相同。

2.根据权利要求1所述的等离子体共振传感装置，其特征在于：所述的条波导为单模条波导。

3.根据权利要求1所述的等离子体共振传感装置，其特征在于：所述的金属薄膜为金、银或铝薄膜。

4.根据权利要求1所述的等离子体共振传感装置，其特征在于：所述的金属薄膜层的厚度为30～80nm。

5.根据权利要求1所述的等离子体共振传感装置，其特征在于：所述的金属薄膜层的长度为4～6mm。

6.根据权利要求1所述的等离子体共振传感装置，其特征在于：所述的金属薄膜层采用真空热蒸发镀膜工艺制备而得。

7.一种应用权利要求1所述的等离子体共振传感装置进行的在线检测系统，其特征在于：将被检测介质置于所述传感装置中的两层金属薄膜之间，使形成条波导激励的金属-介质-金属的对称结构。

8.根据权利要求7所述的在线检测系统，其特征在于：包括光源、光纤输入装置、光纤输出装置和光信号处理装置，所述光源与光纤输入装置相连接，所述光纤输出装置与光信号处理装置相连接，且所述光纤与所述等离子体共振传感装置中的条波导采用端面直接耦合对接。

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