CN112014332B

CN112014332B - 一种表面等离子体共振光纤传感器及检测方法

Info

Publication number: CN112014332B
Application number: CN202010909018.9A
Authority: CN
Inventors: 张辉; 刘源; 赵韦人; 何苗; 张嘉路
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2040-09-02
Also published as: CN112014332A

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体来说是涉及一种表面等离子体共振光纤传感器及检测方法。表面等离子体共振光纤传感器包括光纤体及设置在所述光纤体端面上的金属膜，所述金属膜上包括按一定周期性排布的纳米复合结构单元阵列，所述纳米复合结构单元由圆盘和孔洞组成，所述圆盘设置在所述孔洞内，所述孔洞贯穿所述金属膜的端面，所述圆盘与孔洞同心设置。本发明的表面等离子体共振光纤传感器将传感器探头插入至待测物中即可进行检测，相对于现有技术的传感器提高了灵敏度和探测精度，光纤传感器结构简单，抗电磁干扰能力强，封装尺寸小，有着更广阔的应用前景。

Description

一种表面等离子体共振光纤传感器及检测方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体来说是涉及一种表面等离子体共振光纤传感器及检测方法。

背景技术

表面等离子体共振（SPR，Surface Plasmon Resonance)是一种特殊的物理光学现象，当一束光从波密介质射向到光疏介质，在入射角大于临界角时，将在界面发生全内反射。在全内反射发生时，如果入射光和表面等离子体在界面方向上波矢相等，两者发生共振，一部分入射光能量耦合到表面等离子体中，从而使反射光强发生衰减，形成表面等离子波共振。即SPR是在入射光激发下引起金属表面自由电子集体振荡，形成的混合激发态，在共振激发下形成极强的表面局域增强的模场。激发的共振模式的振荡频率与金属材料、形状以及其周围环境的折射率相关，SPR尤其对周围环境的折射率非常敏感。通过探测由周围折射率变化引起的表面等离子体共振模式的变化形成的 SPR 折射率传感器是一种不需要荧光标记、非接触式的、可以实时检测的新型传感器。

SPR主要有两种类型，一种是传输态的表面等离极化激元SPP（Surface PlasmonPolaritons），其是可以沿金属-电介质界面上传播的表面波。SPP表面波的波矢数值上比同一频率光子在周围介质中的波数要大，因此，一般需要通过棱镜耦合或光栅耦合等方式将入射光与SPP的传播常数匹配以激发SPP表面波。所以这种方法需要精准地控制光的入射角度，实现集成化和小型化是比较困难的。另一种类型是局域在金属纳米结构或颗粒表面三维空间的局域化的表面等离子体共振LSPR（Localized Surface Plasmon Resonance）。LSPR可以通过将激发光直接照射于金属纳米颗粒、金属表面纳米孔或其它纳米结构来直接激发。利用局域表面等离子体共振对于特定光波长的吸收，通过观测不同局域环境折射率下激发光的反射谱的变化来进行检测，因此可以用来制作折射率 SPR传感器。相比于传输型SPP传感器来说，LSPR传感器具有效率高、尺寸小、响应速度快等优点，但灵敏度偏低。此外，由于金属纳米颗粒等纳米结构的辐射损耗比较大，造成其共振吸收谱的线宽比较宽，最终导致LSPR传感器的探测精度不高。

发明内容

针对现有技术中SPR传感器的灵敏度低、探测精度差等问题，本发明提供了一种改进的基于金属圆盘和孔洞纳米复合结构阵列的表面等离子体共振光纤传感器及检测方法。

一种表面等离子体共振光纤传感器，包括光纤体及设置在所述光纤体端面上的金属膜，所述金属膜上包括按一定周期性排布的纳米复合结构单元阵列，所述纳米复合结构单元由圆盘和孔洞组成，所述圆盘设置在所述孔洞内，所述孔洞贯穿所述金属膜的端面。

可选的，所述金属膜厚度为 80nm～180nm。

可选的，所述孔洞的截面为椭圆。

可选的，所述椭圆的长轴直径为240nm～480nm。

可选的，所述圆盘半径为80nm～120nm。

可选的，所述金属膜为金材料。

可选的，所述纳米复合结构单元之间的间距为600nm～700nm。

可选的，所述金属膜上利用刻蚀工艺制备所述纳米复合结构单元阵列。

一种如所述表面等离子体共振光纤传感器的检测方法，将所述金属膜放置到待测物内，所述光纤体入射光束，根据不同折射率待测物的反射光谱曲线图，判断待测物的折射率；或根据反射光谱共振波长的变化来检测待测物折射率的变化。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：在光纤体端面上的金属膜上按阵列周期性排布多个纳米复合结构单元，纳米复合结构单元由圆盘和孔洞组成，圆盘设置在孔洞内，孔洞贯穿金属膜的端面，通过设计新型的纳米复合结构单元阵列，激发优质的共振吸收模式，增强金属纳米结构与待测物之间的电场强度，从而提高传感器的灵敏度和探测精度等性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的表面等离子体共振光纤传感器三维结构示意图；

图2为本发明实施例提供的表面等离子体共振光纤传感器的金属膜放大三维示意图；

图3为本发明实施例提供的表面等离子体共振光纤传感器采用不同金属膜厚度时反射光谱曲线图；

图4为本发明实施例提供的表面等离子体共振光纤传感器的孔洞采用不同直径时反射光谱曲线图；

图5为本发明实施例提供的表面等离子体共振光纤传感器采用不同待测分析物折射率时反射光谱曲线图；

图6为本发明实施例提供的图5共振吸收反射谱中不同待测物折射率与共振吸收波长之间的对应关系图。

图示说明：光纤体1、金属膜2、孔洞21、圆盘22。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例，仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

请参阅图1至6，本实施例提供的等离子体共振光纤传感器包括光纤体1及设置在光纤体1端面上的金属膜2，金属膜2上按周期性排布多个纳米复合结构单元，形成纳米复合结构单元阵列，纳米复合结构单元由圆盘22和孔洞21组成，圆盘22设置在孔洞21内，孔洞贯穿金属膜2的端面。其中，孔洞21与圆盘22之间的间隙及表面为待测物的感测区域，待测物可以为液体或气体或液体与气体的混合物等。

具体的，入射光从光纤体1照射到金属膜2上，在特定波长处，金属膜2上会激发共振模场，造成反射光谱出现共振吸收峰，分布在金属膜2上的共振模场具有增强的电场强度作用于待测物，因此传感器的灵敏度高。另外，金属膜2上经过优化设计的金属纳米复合结构单元阵列，支持辐射损耗低的LSPR共振模式，这样可以提高传感器的探测精度。可选的，金属膜2上利用刻蚀工艺制备纳米复合结构单元，具体可选用聚焦离子束刻蚀方法。

为进一步提升传感器灵敏度，在一个具体实施方式中，首先合理设置纳米复合结构单元的结构参数，获得较佳的光谱曲线，获取共振峰与波长、反射率及结构参数的关系，再固定最优结构参数，改变待测物的折射率，测出传感器的灵敏度同时获得一个最高灵敏度，传感器灵敏度S可以由下式得出：S= Δλ/Δn 其中Δλ是共振峰值处不同折射率待测物对应的波长的差值，Δn是待测物的折射率之差。在实际应用中，利用光谱曲线与已知的共振峰的灵敏度可计算出待测物的折射率。

具体的，为获得纳米复合结构单元的最优结构参数，在具体实施例中，改变各结构参数，获得不同的光谱曲线图，分析各结构参数分别与共振峰的反射率、共振波长的关系。可选的，改变纳米复合结构单元的圆盘22的直径、孔洞21的长短轴直径、金属膜厚度、金属膜材料、或纳米复合结构单元之间的间距，调节共振峰的位置、宽度以及深度，各个参数可以同时改变或单独改变。可选的，孔洞21的截面为椭圆。其中T为金属膜厚度，P为纳米复合结构单元之间的间距，D1为椭圆长轴直径，D2为椭圆短轴直径，d为圆盘22直径，n为外部待测物折射率。可选的，金属膜厚度为 80nm～180nm，椭圆长轴直径D1为240nm～480nm，圆盘22半径为80nm～120nm，纳米复合结构单元之间的间距为600nm～700nm。金属膜为金或银或铜或铝等金属材料，优选为金材料，化学稳定性好。

具体参考图3 所示，横坐标为入射波长，纵坐标为反射率。取P为680nm， D1＝480nm、D2＝240nm，d＝180nm，光纤体1大的入射光波段的波长λ为0.9μm～1.4μm，图中五种不同的曲线分别为不同的金属膜厚度T的发射光谱曲线图，T依次取值为50nm、80nm、110nm、140nm、170nm。由图中结果可见，当金属膜厚度T为50nm时，共振波长分别在0.9265μm、1.004μm、1.191μm处产生三个共振峰，此处依次分别定义为A峰，B峰，C峰，随着T增大，A峰，B峰的共振波长的位置没有发生变化，反射率大小发生改变，反射率逐渐增大，A峰与B峰的峰尖变得更尖锐；C 峰向短波长方向移动，即发生了蓝移现象，同时半峰宽逐渐减小，半峰宽越窄，传感器检测精度越好。由此可知，在一定频段的波长下，通过改变金属膜的厚度，可以有效改变共振峰的反射率大小以及半峰宽大小，获得尖锐的共振吸收峰，即可改善传感器的检测精度。

继续参考图4所示，图中横坐标为入射波长，纵坐标为反射率，取P＝680nm，D1=480nm，D2初始值为240nm，光纤体1大的入射光波段的波长λ为0.9μm～1.8μm，图中五种不同的曲线分别为不同的D2的发射光谱曲线图，D2增大变化量依次取值为120nm、150nm、180nm、210nm、240nm。由图中结果可见，当D2增大变化量为120nm时，共振波长分别在0.92μm、1.001μm、1.16μm处产生三个共振峰，此处依次分别定义为A峰，B峰，C峰，当D2 从360nm增加到480nm时，A峰与B峰的共振波长的位置没有发生变化，反射率大小发生改变；C峰向长波长方向移动，即发生了明显的红移现象，反射光谱的半峰宽逐渐增大，反射率基本保持不变。由此可知，通过改变D2的大小，孔洞21的形状发生变化，可以使得反射光谱共振峰的位置及峰宽发生了改变，从而亦可改善传感器的检测精度。

为了获得最佳的传感器灵敏度，根据待测物的折射率来分析传感器的性能。图5为本发明采用不同待测分析物折射率时反射光谱曲图，横坐标为入射波长，纵坐标为反射率。取P＝680nm，d＝180nm，D1=480nm，D2=240nm，优选光纤体1的折射率为 1.33，图中八种不同的曲线分别为不同的待测物折射率的发射光谱曲线图，折射率n依次取值为1.33、1.34、1.35、1.36、1.37、1.38、1.39、1.40。由图中结果可见，当折射率n为1.33时，共振波长分别在0.925μm、1.009μm、1.16μm处产生三个共振峰，此处依次分别定义为A峰，B峰，C峰，随着待测物折射率n的增大，三个共振峰均向长波长方向进行了移动，即发生了红移现象，相同折射率变化下，A峰和C峰移动的多，B峰的移动量非常小。由此可知，通过改变待测物折射率，可以使反射光谱的共振吸收波长位置发生变化。根据光谱共振波长位置，可以判断待测物的折射率；根据反射光谱共振波长的变化，可以检测待测物折射率的变化。利用灵敏度公式，S= Δλ/Δn，从而可以得出传感器的灵敏度。通过获得的传感器灵敏度，可以根据待测物的折射率的变化来分析被测物的特性，如浓度等，从而可以用来检测各种样品，可以实现传感器的应用价值。

继续参考图6，图6为图5中A峰，B峰，C峰在外界待测物折射率改变时与共振波长的线性拟合，图中横坐标表示为外界待测物折射率，纵坐标表示为共振峰波长。由图中结果可知，随着外界待测物折射率n增加，反射谱共振波长λ随之增大，对于其中一个共振峰来说，待测物折射率n变化一个单位，导致共振波长改变的量近乎一致，近乎于图中的拟合直线，拟合线具有较好的线性度，由此说明本实施方式的传感器性能稳定，利用拟合关系，可以计算出已知折射率的待测物在多少波长的条件下可以实现共振峰，或者是从光谱曲线图中，已知达到共振峰的共振波长，计算出待测物的折射率。此外，从图中还可得知，直线的倾斜率就是传感器的灵敏度，灵敏度S= Δλ/Δn ，A峰的灵敏度DipA=672.14nm/RIU，B峰的灵敏度DipB=51.07nm/RIU，C峰的灵敏度DipC=529.76nm/RIU，其中A峰的灵敏度最高，半高宽也最窄。在实际应用中，可以利用A共振峰检测待测物，使得光纤体1入射的探测光波能够得到A共振峰的波长频段，利用待测物折射率n与共振波长λ的关系，计算出待检测物的折射率，折射率与液体浓度存在已知关系，因此可以通过检测物体的折射率获取待测物的浓度。

综上，本实施例中的光纤传感器包括光纤体1及设置在光纤体1端面上的金属膜2，金属膜2上按阵列周期性排布多个纳米复合结构单元，纳米复合结构单元由圆盘22和孔洞21组成，圆盘22设置在孔洞21内，孔洞贯穿金属膜2的端面，孔洞21与圆盘22之间的间隙及表面空间可用于浸润待测物，通过在金属膜2上设置新型纳米复合结构单元，增强金属膜2与待测物之间的电场强度，从而提高传感器的灵敏度。此外，通过优化纳米复合结构单元的结构参数，在扩大传感器检测范围的同时，还可以获得更优的光谱曲线图，如窄共振吸收峰等，从而进一步提升传感器灵敏度、检测精度等传感性能。本申请的光纤传感器结构简单，封装尺寸小，有着更广阔的应用前景，例如监测环境、食品安全及生物安全等领域。

本实施例二

实施例一所述表面等离子体共振光纤传感器的检测方法为将探测头金属膜2放置到待测物内，光纤体1中入射一定波段的光束，在特定波长位置处，金属膜2中激发共振吸收模式，形成共振吸收峰，得到反射光谱图，根据不同折射率待测物的反射光谱图，判断待测物的折射率；或根据反射光谱共振波长的变化，可以检测待测物折射率的变化。注意的是，实际检测应用时，整个金属膜2与待测物充分接触，孔洞21与圆盘22之间的间隙及膜表面空间完全浸润于待测物中，其中待测物可以为气体、液体或混合溶液等。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，包括光纤体及设置在所述光纤体端面上的金属膜，所述金属膜上包括按一定周期性排布的纳米复合结构单元阵列，所述纳米复合结构单元由圆盘和孔洞组成，所述圆盘设置在所述孔洞内，所述孔洞贯穿所述金属膜的端面，所述圆盘与孔洞同心设置；

所述金属膜厚度为 80nm～180nm；

所述孔洞的截面为椭圆；

所述椭圆的长轴直径为240nm～480nm；

所述圆盘半径为80nm～120nm；

所述金属膜为金材料；

所述纳米复合结构单元之间的间距为600nm～700nm。

2.根据权利要求1所述的表面等离子体共振光纤传感器，其特征在于，所述金属膜上利用刻蚀工艺制备所述纳米复合结构单元阵列。

3.一种如权利要求1至2任一项所述的表面等离子体共振光纤传感器的检测方法，其特征在于，将所述光纤体端面上的金属膜放置到待测物内，所述光纤体中入射一定波段的光束，得到反射光谱图，根据不同折射率待测物的反射光谱曲线图，判断待测物的折射率；或根据反射光谱共振波长的变化来检测待测物折射率的变化。