DE102008046320B3

DE102008046320B3 - Faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen faserangrenzender Medien

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Publication number: DE102008046320B3
Application number: DE200810046320
Authority: DE
Inventors: Tobias Schuster
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Schuster Tobias De
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-08-30
Also published as: DE102009035578B3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor (1, 2, 3) zur Bestimmung von Brechzahlen (nA) faserangrenzender Medien in einer Anordnung (4, 5, 6) mit mindestens einer mindestens ein langperiodisches Bragg-Gitter enthaltenden Faser (7), einer auf eine Arbeitswellenlänge (lambda) beschränkten Lichtquelle (8) und einem Detektor (9). Die Aufgabe besteht darin, dass eine höhere Empfindlichkeit der intensitätsbasierten Auswertung erreicht werden kann. Außerdem soll ein kompakterer faseroptischer Sensoraufbau bei verringertem Technologie- und Kostenaufwand bei der Herstellung sichergestellt werden. Die Lösung besteht darin, dass vorhanden sind: - ein im Kernbereich (28) der als optischer Wellenleiter eingesetzten Singlemode-Faser (7) eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter (10, 26) zur Kopplung der Eingangs-Kernmode (11) in eine ausgewählte Mantelmode (12), - ein kurzperiodisches Bragg-Gitter (13, 18, 27) zur Unterdrückung der Ausbreitung einer residualen Kernmode (14), - ein langperiodisches Bragg-Gitter (15, 10, 26) zur Kopplung der Mantelmode (12, 16) in eine Ausgangs-Kernmode (17), - eine den Mantel (21) der Singlemode-Faser (7) rundum umgebende dünne Metallschicht (22), an der die ausgewählte Mantelmode (12, 16) eine Oberflächenplasmonenwelle (29) anregt und die zumindest zwischen den langperiodischen Bragg-Gittern (15, 10, 26) zur Ein- und Auskopplung der Mantelmode (12, 16) angeordnet ist, und wobei die verbleibende ...

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen faserangrenzender Medien in einer Anordnung mit mindestens einer mindestens ein langperiodisches Bragg-Gitter enthaltenden Faser, einer auf eine Arbeitswellenlänge beschränkten Lichtquelle und einem Detektor.
Oberflächenplasmonen sind eine Ladungsträgerdichteschwankung an der Grenzfläche zwischen einem Metall und einem Dielektrikum. In der Veröffentlichung Homola, Yee, Gauglitz: Surface plasmon resonance sensors: review, 854, 1999, S. 3–15 sind Oberflächenplasmonen beschrieben, die sich als Welle entlang der Grenzfläche ausbreiten. Die Ausbreitungskonstante wird von der Brechzahl des Dielektrikums bestimmt und eignet sich somit für die Realisierung eines hochempfindlichen Brechzahlsensors.
Die Ausbreitungskonstante der Oberflächenplasmonen wird von der komplexen Permittivität ε_M des Metalls und der Brechzahl n_A des Dielektrikums bestimmt. Sie ist eine Funktion der Wellenlänge λ und lässt sich als effektive Brechzahl n_SPW mit der folgenden bekannten Gleichung (I) berechnen:
Die Oberflächenwelle besitzt ein exponentiell abklingendes Feld – ein evaneszentes Feld – in beiden Medien. Daher ist die Eindringtiefe in das Dielektrikum sehr gering, so dass nur Brechzahländerungen in direkter Nähe zur Metallschicht nachgewiesen werden können. Werden geeignete Ligandenmoleküle auf der Metalloberfläche immobilisiert, ist ein äußerst selektiver Nachweis von geringen Konzentrationen biochemischer Analyten in Flüssigkeiten möglich, wobei die Kinetik molekularer Bindungsprozesse in den Veröffentlichungen Rajan, Chand, Gupta: Fabrication and characterization of a surface plasmon resonance based fiber-optic sensor for bittering component – Narigin, Sensors and Actuators, 8115, 2006, S. 344–348 und Stemmler, Brecht, Gauglitz; Compact surface plasmon resonance-transducer with spectral readout for biosensing applications, Sensors and Actuators B54, 1999, S. 98–105 beschrieben ist, die in Echtzeit verfolgt werden kann.
Die Oberflächenplasmonenwellen können durch das evaneszente Feld von total reflektiertem Licht angeregt werden. Dabei wird ein Teil der reflektierten Leistung in die Oberflächenplasmonenwelle gekoppelt. Eine Voraussetzung dieser Oberflächenplasmonen-Resonanz (engl. surface plasmon resonance – SPR) ist die Polarisation des elektrischen Feldes der anregenden optischen Welle senkrecht zur Metalloberfläche (TM-Polarisation). Eine weitere Bedingung ist die Anpassung der Ausbreitungskonstanten (effektiven Brechzahlen) von anregender optischer und Oberflächenplasmonenwelle.
Faser-Bragg-Gitter sind eine UV-induzierte periodische Brechzahlmodulation im Kern einer optischen Faser, die den bidirektionalen Energieaustausch zwischen zwei Wellenleiter-Moden ermöglichen. Die Differenz Δn_eff der Modenausbreitungskonstanten (effektiven Brechzahlen) ergibt sich aus der Periode Λ der Brechzahlmodulation. Die Koppelbedingung wird nur für eine diskrete Wellenlänge λ_Bragg erfüllt und ergibt sich nach Gleichung (II) mit λBragg = Λ·Δneff (II),wie in der Buchpublikation Othonos, Kalli: Fiber Bragg gratings, Artech House Inc., 1999 beschrieben ist.
Beträgt die Gitterperiode einige 100 nm, wird der vorwärts und rückwärts laufende Fall einer Mode gekoppelt. Diese kurzperiodischen Bragg-Gitter – FBG – reflektieren typischerweise die Kernmode einer Singlemode-Faser und wirken dabei als schmalbandige optische Filter.
Bei größeren Perioden (Λ > 10 μm) werden unterschiedliche vorwärts laufenden Moden gekoppelt. Es wird dann von einem langperiodischen Bragg-Gitter – LPG-gesprochen. Es ist damit möglich, an einer diskreten Wellenlänge, die optische Leistung von der Kernmode einer Singlemode-Faser in eine Mantelmode zu koppeln.
Die Resonanzwellenlänge λ_Bragg eines Bragg-Gitters hängt direkt von der effektiven Brechzahl n_eff der verwendeten Mode ab. Da die effektive Brechzahl einer Mantelmode auch von der Brechzahl n_A des angrenzenden Mediums beeinflusst wird, kann die Resonanzwellenlänge λ_Bragg eines LPGs als Messgröße eines entsprechenden Sensors verwendet werden, wie in der Veröffentlichung Chen et al.: Dual-peak LPG based devices with enhanced refractivindex sensitivity by finely tailoring mode dispersion property using light cladding etching technique, OSA Applied Optics, Volume 46, 4, 2006, S. 451–455 beschrieben ist.
Der Aufbau eines kommerziellen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors ist unter der Internet-Adresse http://www.rci.rutgers.edu/~longhu/Biacore/ beschrieben, der sich durch eine dreischichtige Struktur beschreiben lässt – Substrat, Metallschicht und Analyt. Als Substrat wird meistens ein Prisma mit geeigneter Brechzahl genutzt. In ihm trifft die optische Welle auf die angrenzende Metallschicht, an der sie total reflektiert wird. Die Metallschicht besteht in herkömmlicher Weise aus Gold oder Silber und besitzt eine Dicke unter 100 nm. Im direkten Kontakt zur Metallschicht befindet sich der Analyt in einer Flusszelle.
Die Ausbreitungskonstante (effektive Brechzahl) n_SPW der Oberflächenplasmonen wird von der Brechzahl n_A des Analyts und der komplexen Permittivität der Metallschicht bestimmt. Wird eine monochromatische Laserquelle eingesetzt, kann der Einfallswinkel der anregenden optischen Welle an die effektive Brechzahl der Oberflächenplasmonen angepasst werden. Aus dem Resonanzwinkel lässt sich dann die Brechzahl des Analyts bestimmen. Die effektive Brechzahl der Oberflächenplasmonen ist eine Funktion der Wellenlänge, es ist deshalb ebenfalls möglich, mit einem festen Einfallswinkel zu arbeiten. In diesem Fall wird das Spektrum, wie in der Veröffentlichung Stemmler, Brecht, Gauglitz: Compact surface plasmon resonance-transducer with spectral readout for biosensing applications, Sensors and Actuators, B54, 1999, S. 98–105 beschrieben ist, oder die Phase des total reflektierten Lichtes, wie in der Veröffentlichung P. Nikitin, A. Beloglazov: Surface Plasmon resonance interferometry for biological and chemical sensing, Sensors and Actuators B54, 1999, S. 43–50 beschrieben ist, ausgewertet.
Oberflächenplasmonen können auch durch das in einem Schichtwellenleiter mittels Totalreflexion geführte Licht angeregt werden. Dazu wird, wie in der Veröffentlichung Harris et al.: Theory and modelling of optical waveguide sensors utilising surface plasmon resonance, Sensors and Actuators B54, 1999, S. 66–72 beschrieben ist, die Wellenleiteroberfläche partiell mit einer dünnen Metallbe schichtung versehen. Eine leistungsmäßige Kopplung zwischen Wellenleitermode und Oberflächenplasmon erfolgt, wenn diese die gleiche effektive Brechzahl besitzen und das evaneszente Feld der Wellenleitermode mit der Metalloberfläche Wechselwirken kann.
Die Verwendung von faseroptischen Wellenleitern ermöglichen einen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor mit sehr kompakten Abmaßen. Die Polarisation der anregenden Faser-Moden spielt durch die zylindrische Form der Faseroberfläche keine Rolle mehr. Bei einer ungleichmäßigen Metallbeschichtung erfolgt jedoch die Anregung mehrer Resonanzen, deren Stärke mit der Polarisation schwankt, wie in der Veröffentlichung Monzon-Hernandez, Luna-Moreno, Villatoro: High-resolution refractive index sensing by means of a multiple-peak surface plasmon resonance optical fiber sensors, Sensors and Actuators B115, 2006, S. 227–231 beschrieben ist.
Um eine Wechselwirkung mit dem evaneszenten Feld der Faser-Mode zu ermöglichen, muss vor der Metallisierung der Mantel der Faser entfernt werden. Oft werden deshalb Multimode-Fasern genutzt, die einen Kerndurchmesser zwischen 400 μm und 1000 μm besitzen und leicht in konventionelle Stecker integriert werden können. Eine Verspiegelung der Stirnfläche erlaubt eine in Reflexion arbeitende Sondenanordnung des Sensors. Dadurch wird die Verwendung eine Flusszelle erspart und die Arbeit mit kleinsten Probenmengen, wie in der Veröffentlichung Obando et al.: Manufacture of robust surface plasmon resonance fiberoptic based dip-grobes, Sensors and Actuators, B100, 2004, S. 439–449 beschrieben ist, in Küvetten ermöglicht.
Die effektiven Brechzahlen der Moden werden durch Material und Geometrie des Wellenleiters vorgegeben, so dass zur Auswertung der Oberflächenplasmonen-Resonanz die Wellenlänge herangezogen werden muss. Dazu wird ein teures Spektrometer benötigt, das einer Miniaturisierung des Systems entgegensteht. Weiterhin muss eine Lichtquelle mit einer großen spektralen Breite verwendet werden, die sich meist nur mit Verlusten in eine Faser einkoppeln lässt, wie in der Veröffentlichung Balaa et al.: Experimental realization and numerical simulation of a wavelength-modulated fibre optic sensor based an surface plasmon resonance, Sensors and Actuators B116, 2007, S. 198–203 beschrieben ist.
Eine kompakte, billige und robuste Alternative ist die intensitätsbasierte Auswertung des Sensors. Hierbei werden lediglich eine hinreichend monochromatische Lichtquelle und ein einfacher Fotodetektor benötigt. Die transmittierte Leistung gibt Auskunft über die spektrale Nähe der anregenden Lichtquelle zur Oberflächenplasmonen-Resonanz und ist damit abhängig von der Umgebungsbrechzahl. Mit Multimode-Fasern lässt sich dabei nicht die gewünschte Empfindlichkeit erreichen, da ein großer Teil der geführten Moden wegen ihrer abweichenden Ausbreitungskonstante nicht zur Oberflächenplasmonen-Resonanz beitragen kann. Weiterhin führt die hohe Dichte der geführten Moden zu einer mehrfachen Oberflächenplasmonen-Anregung mit leicht unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten und damit zu einer spektralen Verbreiterung der Resonanz.
Singlemode-Fasern sind sehr gut für eine intensitätsbasierte Auswertung geeignet. Da der Kerndurchmesser nur wenige Mikrometer beträgt, führt das Entfernen des Fasermantels jedoch zu einer kritischen mechanischen Stabilität. Man verwendet deshalb D-Profil-Fasern mit einem einseitig abgeschliffenen Fasermantel, wie in der Veröffentlichung Chiu, Shih, Chi: Optimum sensitivity of single-mode D-type optical fiber sensor in the intensity measurement, Sensors and Actuators B113, 2007, S. 1110–1114 beschrieben ist. Nur die planare Seite wird metallisiert. Daraus resultieren eine erneute Abhängigkeit von der Polarisation der Mode und damit eine Empfindlichkeit für Faserdeformationen. Dieser Problematik wird mit der Verwendung von polarisationserhaltenden Fasern und der Einbettung in massive Quarzblöcke begegnet, wie in der Veröffentlichung Pilliarik et al.: Surface plasmon resonance sensor based an a single-mode polarization-maintaining optical fiber, Sensors and Actuators B90, 2003, S. 236–242 beschrieben ist.
Eine Möglichkeit, einen polarisationsunabhängigen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor mit hoher mechanischer Stabilität und intensitätsbasierter Auswertung zu realisieren, ist die gezielte Anregung weniger Mantelmoden. Bei einer sogenannten Heterostruktur wird dazu die gespleißte Verbindung zweier Fasern mit unterschiedlichem Kerndurchmesser verwendet, wie in der Veröffentlichung Iga et al.: Hetero-core structured fiber optic surface plasmon resonance sensor with silver film, Sensors and Actuators B101, 2004, S. 368–372 beschrieben ist. Eine Multimode-Faser dient dabei als Transmissionsfaser, in welche die Lichtquelle eingekoppelt wird. Als Sensorstrecke wird eine metallisierte Singlemode-Faser mit wesentlich geringerem Kerndurchmesser eingesetzt. Da die Transmissionsfaser ein Gradient-Brechzahlprofil besitzt, werden in der Sensorfaser nur Mantelmoden mit einer ähnlichen Ausbreitungskonstante angeregt und so eine Erhöhung der Empfindlichkeit erreicht.
Bei einer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Anordnung mit einer sehr dünnen Goldschicht (< 38 nm) beeinflusst die Oberflächenplasmonen-Resonanz die Phase des total reflektierten Lichts und manipuliert so, bei Anregung durch einen Wellenleiter, die effektive Brechzahl der anregenden Mode. Wird ein Schichtwellenleiter mit einem kurzperiodischen Bragg-Gitter so ausgelegt, dass auf einer dünnen Metallbeschichtung Oberflächenplasmonen angeregt werden, führt eine Modifikation der Umgebungsbrechzahl n_A zu einer nachweisbaren Verschiebung der Resonanzwellenlänge des FBG, wie in der Veröffentlichung Ctyroky et al.: Modelling of the surface plasmon resonance waveguide sensor with Bragg grating, Optical and Quantum Electronics 31, 1999, S. 301–311 beschrieben ist. Dieser Ansatz bietet jedoch keine wesentliche Verbesserung der Empfindlichkeit eines FBG-Brechzahlsensors. Hinzu kommt, dass in dem schmalen Arbeitsbereich des Sensors hohe durch die Resonanz bedingte Verluste auftreten.
Bei „klassischen” Metallschichtdicken von 50 nm tritt keine signifikante Phasenänderung mehr auf, so dass eine Beeinflussung der effektiven Brechzahl durch eine Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensoren ausgeschlossen werden kann. Dadurch ist es möglich, die energetische Kopplung zwischen einer Wellenleitermode und einer Oberflächenplasmone-Welle mit abweichender effektiver Brechzahl über ein Bragg-Gitter zu erreichen. D. h., die im Kern eines Singlemode-Schichtwellenleiters geführte Mode kann eine Oberflächenplasmonen-Resonanz auf einer dünnen Goldbeschichtung anregen, wenn ein FBG in der Schicht, wie in der Veröffentlichung Nemova, Kashyab: Theoretical model of a planar integrated refractive index sensor based an surface plasmon-polariton excitation, Optics Communications 275, Elsevier, 2007, S. 76–82 beschrieben ist, oder die Strukturierung der Metallschicht als Gitter, wie in der Veröffentlichung Nemova, Kashyab: Theoretical model of a planar waveguide refractive index sensor assisted by a corrugated long period metal grating, Optics Communications 281, Elsevier, 2008, S. 1522–1528 beschrieben ist, vorliegt. Der resultierende schmale Einbruch im Transmissionsspektrum der Faser ist wie bei herkömmlichen Lichtwellenleiter-Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensoren geeignet, um eine durch die Umgebungsbrechzahl n_A induzierte Änderung der effektiven Brechzahl der Oberflächenplasmonen zu detektieren. Um die Ausbreitungskonstante der Kernmode vor einer Beeinflussung durch die Umgebungsbrechzahl n_A zu schützen, wird zwischen Wellenleiter und Metallisierung eine dünne Bufferschicht eingeführt. Die Schichtdicke darf jedoch 1 μm nicht überschreiten, um die Kopplung zwischen Kernmode und Oberflächenplasmonen nicht zu stören. Der Sensor ist also nicht als faseroptischer Sensor realisierbar, da der Fasermantel der Singlemode-Faser komplett entfernt werden müsste. Das notwendigerweise planare Konzept mit Schichtwellenleiter führt zu einer Polarisationsabhängigkeit und einer schlechteren Integrierbarkeit des Sensors.
Ein faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor mit Bragg-Gitter ist in der WO 2008/007115 A2 beschrieben. Um die Wechselwirkung mit dem evaneszentem Feld der anregenden Kernmode zu ermöglichen, muss jedoch ein Teil des Fasermantels entfernt werden. Diese Vorgehensweise führt zu den bereits erwähnten Problemen durch mechanische Instabilität und Polarisationsabhängigkeit.
Ein Sensormodul, der einem optischen Faserkabel zugeordnet ist und eine Längsachse aufweist, ist in der US 2007/0116401 A1 beschrieben, wobei die optische Faser einen Kern enthält, in dem das Licht durch das optische Faserkabel übertragen wird. Das Sensormodul enthält ein erstes kurzperiodisches Faser-Gitter, das um den Kern herum angeordnet ist. Ein zweites kurzperiodisches Faser-Gitter ist auch um den Kern herum und in einem Abstand entlang der Längsachse in Bezug auf das erste kurzperiodische Faser-Gitter angeordnet.
Schließlich können ein langaperiodisches Faser-Gitter und ein langperiodisches Faser-Gitter zwischen dem ersten kurzperiodischen Faser-Gitter und dem zweiten kurzperiodischen Faser-Gitter angeordnet sein. Ein Fasermantel ist rund um das langperiodische Faser-Gitter und/oder das langaperiodische Faser-Gitter des Sensormoduls angeordnet sein. Eine Sensorhaut ist um den Fasermantel herum angeordnet und enthält ein gasaktives chemisches Material.
Der Sensor besitzt keine Metallisierung, die für eine Oberflächenplasmonen-Resonanz verwendet werden könnte. Das beschriebene, nicht metallische „sensor skin” ersetzt den Fasermantel, um in Anwesenheit des zu detektierenden Gases die Brechzahl und damit die Bragg-Wellenlänge des LPG zu ändern. Die in das ”sensor skin” eingebundenen Nanopartikel dienen lediglich als Katalysatoren für diesen Vorgang und sind nicht zur Anregung einer Oberflächenplasmonen-Resonanz bestimmt. Der Sensor dient zur Überwachung einer Kraftwerksanlage. Dabei sollen simultan Druck, Temperatur und Gaskonzentration detektiert werden.
Ein weiterer optischer Sensor, der ein langperiodisches Faser-Gitter enthält, ist in der GB 2 401 479 A beschrieben. Dabei wird das langperiodische Gitter von zwei unterschiedlichen kurzperiodischen Faser-Bragg-Gittern eingeschlossen. Es ist auch keine Metallisierung vorgesehen. Es werden zwei Photodioden verwendet, wobei eine Bragg-Wellenlänge durch einen zusätzlichen optischen Filter unterdrückt werden muss.
Ein anderer optischer Sensor mit einem hybriden Faser-Bragg-Gitter und einem langperiodischen Faser-Bragg-Gitter zur Belastungs- und Temperaturmessung sowie -unterscheidung ist in der US 5,945,666 A beschrieben. Dabei ist keine Metallisierung vorgesehen.
Ein passiver optischer Wellenlängenanalysator mit einem passiven nicht einheitlichen optischen Gitter ist in der US 5,760,391 A beschrieben. Dabei sind drei unterschiedliche kurzperiodische Faser-Bragg-Gitter hintereinander angeordnet. Auch hier ist keine Metallisierung vorhanden.
Die in den Druckschriften GB 2 403 479 A , US 5,945,666 A und US 5,760,391 A beschriebenen Sensoren sollen im Wesentlichen Druck bzw. Zugkräfte und Temperatur messen.
In den Druckschriften GB 2 402 479 A , US 2007/0116401 A1 und US 5,945,666 A wird durch das LPG zwar in eine Mantelmode eingekoppelt, auf eine Rückkonvertierung in die Kernmode wird jedoch verzichtet. Die in der Mantelmode geführte optische Leistung kann deshalb durch keines der kurzperiodischen FBG reflektiert werden. Der resultierende Verlust an der Bragg-Wellenlänge des LPG wird durch das Sensorsystem ausgewertet. Dabei wird die Verschiebung der spektralen Lage der Bragg-Wellenlänge des LPG in Abhängigkeit einer ersten Messgröße verfolgt. In den Druckschriften GB 2 402 479 A , US 2007/0116401 A1 und US 5,945,666 A überlagert sich jeweils in Abhängigkeit der ersten Messgröße die Bragg-Wellenlänge des LPG mit einer der beiden kurzperiodischen Faser-Bragg-Gittern, sodass eine Differenz der jeweils reflektierten optischen Leistung ausgewertet werden kann.
In allen Druckschriften dienen die kurzperiodischen Faser-Bragg-Gitter zur Reflexion der Kernmode in Richtung Auswertung. Die spektrale Position der unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen der kurzperiodischen Faser-Bragg-Gitter wird ausgewertet, um unabhängig vom LPG eine zweite Messgröße zu erfassen.
Die Auswertung der entgegengehaltenen Druckschriften GB 2 402 479 A , US 2007/0116401 A1 und US 5,945,666 A kann ausschließlich in Reflexion erfolgen, wobei eine spektral breite Quelle wie z. B. LED benötigt wird, da ein relativ großer Spektralbereich untersucht wird. Die in den Druckschriften US 2007/0116401 A1 und US 5,945,666 A beschriebenen Sensoren benötigten einen optischen Spektralanalysator (OSA) zur Auswertung dieses Spektralbereiches. Das in der Druckschrift US 5,760,391 A beschrieben Sensorsystem verwendet aus demselben Grund verschiedene Konstruktionen aus speziellen Linsen, Prismen, Bragg-Gittern und einer Photodiodenzeile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen faserangrenzender Medien anzugeben, der derart ausgebildet ist, dass eine hohe Empfindlichkeit und mechanische Stabilität, sowie eine polarisationsunabhängige Anregung und intensitätsbasierte Auswertung erreicht werden kann. Außerdem soll ein kompakterer Sensoraufbau bei verringertem Technologie- und Kostenaufwand bei der Herstellung sichergestellt werden.
Die Aufgabe wird durch Sensoren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 2 und 3 gelöst. In einem faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen n_A faserangrenzender Medien – auch Umgebungsmedien genannt – in einer Anordnung mit einer ein langperiodisches Bragg-Gitter enthaltenden Faser, einer auf eine Arbeitswellenlänge λ beschränkte Lichtquelle und einem Detektor sowie einer den Mantel der Faser umgebenden Metallschicht sind gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 vorhanden

– ein im Kernbereich der als optischer Wellenleiter eingesetzten Singlemode-Faser eingeschriebenes erstes langperiodisches Bragg-Gitter zur Einkopplung der Eingangs-Kernmode in eine ausgewählte Mantelmode,
– ein dem ersten langperiodischen Bragg-Gitter nachgeordnetes kurzperiodisches Bragg-Gitter zur Unterdrückung der Ausbreitung eines residualen Kernmodeteils der ausgewählten Mantelmode,
– ein dem kurzperiodischen Bragg-Gitter nachgeordnetes zweites langperiodisches Bragg-Gitter zur Auskopplung der ausgewählten Mantelmode in eine Ausgangs-Kernmode, wobei das zweite langperiodische Bragg-Gitter mit dem ersten langperiodischen Bragg-Gitter identisch ist,
– die den Mantel der Singlemode-Faser rundum umgebende dünne Metallschicht, an der die ausgewählte Mantelmode eine Oberflächenplasmonenwelle anregt, wobei die Metallschicht zumindest zwischen dem ersten langperiodischen Bragg-Gitter zur Einkopplung der Mantelmode und dem zweiten langperiodischen Bragg-Gitter zur Auskopplung der Mantelmode angeordnet ist,

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In einem anderen faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen n_A faserangrenzender Medien in einer Anordnung mit einer ein langperiodisches Bragg-Gitter enthaltenden Faser, einer auf eine Arbeitswellenlänge λ beschränkten Lichtquelle und einem Detektor sowie einer den Mantel der Faser umgebenden Metallschicht, wobei zwischen der Lichtquelle und dem Detektor einerseits und der Faser andererseits ein Faserkoppler oder ein Zirkulator angeordnet ist,
sind gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 2 vorhanden

– ein im Kernbereich der als optischer Wellenleiter eingesetzten Singlemode-Faser eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter zur Einkopplung der Eingangs-Kernmode in eine ausgewählte Mantelmode,
– ein dem langperiodischen Bragg-Gitter nachgeordnetes kurzperiodisches Bragg-Gitter zur Unterdrückung der Ausbreitung eines residualen Kernmodeteils der ausgewählten Mantelmode und zur gleichzeitigen Reflexion der ausgewählten Mantelmode,
– wobei nach Reflexion der ausgewählten Mantelmode das dem kurzperiodischen Bragg-Gitter vorgeordnete, gleiche langperiodische Bragg-Gitter zur Auskopplung der ausgewählten Mantelmode in eine Ausgangs-Kernmode dient,
– die den Mantel der Singlemode-Faser rundum umgebende dünne Metallschicht, an der die ausgewählte Mantelmode eine Oberflächenplasmonenwelle anregt, wobei die Metallschicht zwischen dem langperiodischen Bragg-Gitter und dem kurzperiodischen Bragg-Gitter angeordnet ist,

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In einem weiteren faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen n_A faserangrenzender Medien in einer Anordnung mit einer ein langperiodisches Bragg-Gitter enthaltenden Faser, einer auf eine Arbeitswellenlänge λ beschränkten Lichtquelle und einem Detektor sowie einer den Mantel der Faser umgebenden Metallschicht sind gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 3 vorhanden

– ein im Kernbereich der als optischer Wellenleiter eingesetzten Singlemode-Faser eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter zur Kopplung der Eingangs-Kernmode in eine ausgewählte Mantelmode, wobei das langperiodische Bragg-Gitter ein langes langperiodisches Bragg-Gitter darstellt,
– ein kurzperiodisches Bragg-Gitter zumindest zur Unterdrückung der Ausbreitung eines residualen Kernmodeteils der ausgewählten Mantelmode, wobei das kurzperiodische Bragg-Gitter über einen vorgegebenen mittigen Bereich des sehr langen langperiodischen Bragg-Gitters zur Transmission der Mantelmode oder über einen zur Lichtquelle abgewandtem Gitterbereich des langen langperiodischen Bragg-Gitters zur Reflexion der Mantelmode in den Kernbereich eingeschrieben ist,
– eine den Mantel der Singlemode-Faser rundum umgebende dünne Metallschicht, an der die ausgewählte Mantelmode eine Oberflächenplasmonenwelle anregt, wobei die Metallschicht zumindest längs des langen langperiodischen Bragg-Gitters angeordnet ist, und

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Für die reflektive Anordnung kann das dem ersten langperiodischen Bragg-Gitter zugeordnete kurzperiodische Bragg-Gitter im Vergleich zum in der transmittiven Anordnung vorhandenen kurzperiodischen Bragg-Gitter eine längere Periode besitzen, wodurch sich die Eingangs-Kernmode in Strahlrichtung weiterbewegt und die Oberflächenplasmonen anregende Mantelmode in ihrer Strahlrichtung umgekehrt und die reflektierte Mantelmode über das vorgeordnete langperiodische Gitter in eine Ausgangs-Kernmode bei einem reflexionsfreien Abschluss der Singlemode-Faser rückgekoppelt wird.
Die den Mantel der Singlemode-Faser rundum umgebende dünne Metallschicht kann aus Metallen wie Gold, Silber, Palladium, Kupfer oder Aluminium bestehen.
Die Mantelfläche der Singlemode-Faser kann rundum und über den gesamten Bereich der eingeschriebenen Gitter mit einer dünnen Metallschicht bedeckt sein.
Die Lichtquelle regt die Eingangs-Kernmode an, die durch das erste langperiodische Bragg-Gitter in die anregende Mantelmode gekoppelt wird, wobei die erforderliche Periode des langperiodischen Bragg-Gitters sich aus der Differenz der effektiven Brechzahl n_LP01 der Eingangs-Kernmode und der effektiven Brechzahl n_LP0m der anregenden Mantelmode sowie der Arbeitswellenlänge λ ergibt.
Der Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor kann eine monochromatische Lichtquelle enthalten, die ein derartig begrenztes Spektrum aufweist, dass die gesamte optische Leistung zwischen Eingangs- oder Ausgangs-Kernmode und anregender Mantelmode von den langperiodischen Bragg-Gittern gekoppelt wird und die kurzperiodischen Bragg-Gitter die gesamte optische Leistung der Eingangs-Kernmode oder der anregenden Mantelmode je nach Bedarf transmittieren oder reflektieren.
Die Lichtquelle kann eine Laserdiode und der Detektor kann eine Photodiode sein.
An der Grenzfläche der dünnen Metallschicht zum angrenzenden Medium werden Oberflächenplasmonenwellen angeregt, wobei der Betrag der Leistung, die der anregenden Mantelmode entzogen wird, von der Wellenlänge λ der Lichtquelle, der effektiven Brechzahl n_LP0m der anregenden Mantelmode und der Brechzahl n_A des angrenzenden Mediums sowie von der komplexen Permittivität ε_M des Metalls bestimmt wird.
Auf der dünnen Metallschicht kann eine intermediale Schicht aufgebracht sein.
Die dünne intermediale Schicht kann eine hohe Brechzahl zur Anpassung an den niedrigen Brechzahlbereich n_A des angrenzenden Mediums aufweisen.
Das als Reflektor dienende kurzperiodische Bragg-Gitter kann für die effektive Brechzahl n_LP0m der die Oberflächenplasmonenwelle anregenden Mantelmode ausgelegt sein.
Die intensitätsbasierte Auswertung beruht auf der unterschiedlichen Wellenlängenabhängigkeit der Ausbreitungskonstanten von Oberflächenplasmonen und anregender Mantelmode und dem spektral stark begrenzten Koppelverhalten der langperiodischen Bragg-Gitter.
Zur Anpassung der effektiven Brechzahl n_eff der ausgewählten Mantelmode an die effektive Brechzahl n_SPW der Oberflächenplasmonen kann der Durchmesser des Fasermantels zumindest im Sensorbereich, in dem die Gitter eingeschrieben sind, um einige Mikrometer reduziert werden.
Die Sensorfaser kann an der Metallschichtoberfläche mindestens eine biofunktionale Schicht zur Untersuchung von biotechnologischen Vorgängen besitzen, wobei die biofunktionale Schicht selektiv einen gesuchten biochemischen Stoff an sich bindet und so eine Änderung der Brechzahl n_A des angrenzenden Mediums zur Messung und Auswertung herbeiführt.
Mindestens eine mit einer biofunktionalen Schicht versehene Sensorfaser kann mit mindestens einer weiteren Sensorfaser ohne biofunktionale Schicht in Verbindung stehen, wobei die resultierende Änderung der transmittierten oder der reflektierten optischen Leistung differenziell zu der zweiten Sensorfaser ohne biofunktionale Schicht gemessen wird, die dem gleichen angrenzenden Medium ausgesetzt ist.
Der Sensor wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors in einer transmittiven Anordnung mit einer Faser, einer Lichtquelle und einem Detektor,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors in einer reflektiven Anordnung mit einer Faser, einer Lichtquelle und einem Detektor,
3 eine schematische Darstellung eines dritten faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors in einer transmittiven Anordnung mit einem sehr langen langperiodischen Bragg-Gitter im Kernbereich und einem mittig darauf eingeschriebenen kurzperiodischen Bragg-Gitter,
4 ein Diagramm der effektiven Brechzahlen n_SPW von Oberflächenplasmonen und anregender Mantelmode LP_0m als effektive Brechzahl über der Wellenlänge bei einer 50 nm dicken Silberschicht und einer Brechzahl n_A = 1,37 des angrenzenden Mediums, des Umgebungsmediums, mit einer angegebenen Änderung Δn_A = 10^–2, sowie die resultierende Reflektivität der Metallschicht und das Koppelspektrum des LPG,
5 berechnete Dispersionskurven einer 50 nm dünnen Goldschicht als umgebender Mantel einer SiO₂-Faser bei unterschiedlichen Umgebungsbrechzahlen n_A = 1.33, 1.37, 1.4,
6 eine berechnete Dispersionskurve einer 50 nm dünnen Goldschicht bei einer Umgebungsbrechzahl n_A = 1,37 sowie die Reflektivitäts-effektive Brechzahl-Charakteristiken für verschiedene Arbeitswellenlängen,
7 Reflektivitäts-Umgebungsbrechzahl-Charakteristiken gemäß 6 bei unterschiedlichen effektiven Brechzahlen und zugehörigen Arbeitswellenlängen,
8 Reflektivitäts-Umgebungsbrechzahl-Charakteristiken gemäß 6 für eine Arbeitswellenlänge 820 nm mit effektiven Brechzahlen der anregenden Mantelmode als Parameter,
9 eine Charakteristik der Abhängigkeit der LPG-Gitterperiode und -länge von der Dicke einer intermedialen Ta₂O₅-Schicht für eine Arbeitswellenlänge von λ = 1500 nm bei einer Umgebungsbrechzahl von 1.33 und einer Goldschichtdicke von 50 nm,
10 eine Reflektivitäts-Umgebungsbrechzahl-Charakteristik für eine Wellenlänge von λ = 1500 nm und bei einer Goldschichtdicke von 50 nm mit der Ta₂O₅-Schichtdicke als Parameter.
In 1 wird der erste Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor 1 in transmittiver Anordnung erläutert. Seine Funktionsweise basiert auf zwei identischen langperiodischen Bragg-Gittern – LPG – 10, 15, die in den Kernbereich 28 der Singlemode-Faser 7 eingeschrieben werden und an der Arbeitswellenlänge λ eine bidirektionale Kopplung zwischen der Kernmode 11, 17 und einer ausgewählten Mantelmode 12 ermöglichen.
Eine Lichtquelle 8 regt die Kernmode LP₀₁ 11 an, welche die optische Leistung verlustfrei zu einem Sensorbereich 25 leitet.
Durch das erste langperiodische Bragg-Gitter 10 wird die Kernmode LP01 11 in eine Mantelmode LP0m 12 mit zylindersymmetrischem Feldverlauf und geeigneter effektiver Brechzahl n_eff gekoppelt.
In einem Bereich zwischen den langperiodischen Bragg-Gittern 10, 15 ist der gesamte Mantel 21 der Singlemode-Faser 7 gleichmäßig mit einer dünnen Metallschicht 22 versehen, an deren Oberfläche durch die Totalreflexion der Mantelmode 12 Oberflächenplasmonenwellen 29 angeregt werden können.
Den Betrag der optischen Leistung, der auf diese Weise der Mantelmode 12 entzogen werden kann, bestimmen die mittlere Wellenlänge der Lichtquelle 8, die effektive Brechzahl der Mantelmode 12 und die Brechzahl n_A des Umgebungsmediums 19.
Das zweite langperiodische Bragg-Gitter 15 koppelt die verbleibende optische Leistung der Mantelmode 12 in die Ausgangs-Kernmode 17, um sie verlustlos der Messung durch einen Detektor 9, z. B. einer Photodiode zuzuführen.
Die Auswertung der vom Detektor 9 gemessenen optischen Intensität l_opt erlaubt Rückschlüsse durch l_opt = f(n_A) auf die Brechzahl n_A des an die Metalloberfläche angrenzenden Umgebungsmediums 19.
Ein kurzperiodisches Bragg-Gitter – FBG – 13 zwischen den langperiodischen Bragg-Gittern 10, 15 unterdrückt eine axiale Ausbreitung des Restteils 14 der Kernmode 11. Dadurch wird verhindert, dass sich die Ausgangs-Kernmode 17 phasenverschoben mit Resten 14 der Eingangs-Kernmode 11 überlagert und resultierende Interferenzen die Auswertung des Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors 1 stören.
Aufgrund der intensitätsbasierten Auswertung und da die Koppelbedingungen der Bragg-Gitter 10, 13, 15 nur in einem schmalen Spektralbereich erfüllt werden, ist es zweckmäßig, eine möglichst schmalbandige, monochromatische Lichtquelle 8, z. B. eine Laserdiode oder LED, zu verwenden. Deren mittlere Wellenlänge λ bestimmt die Periode der Bragg-Gitter 10, 13, 15.
Der Sensor 1 kann mit einer Standard-Singlemode-Faser 7 aus der Nachrichtentechnik realisiert werden. Diese Fasern führen im Kernbereich nur eine einzige Mode LP₀₁ 11. Im Mantelbereich lässt sich jedoch eine Vielzahl von Moden LP_0m anregen.
Der Manteldurchmesser der Singlemode-Faser 7 beträgt typischer Weise 125 μm. Um die effektive Brechzahl n_eff der ausgewählten Mantelmode 12 zu erniedrigen und so an die effektive Brechzahl n_SPW der Oberflächenplasmonen 29 anzupassen, kann der Durchmesser des Fasermantels 21 um einige Mikrometer reduziert werden. Dazu kann die Singlemode-Faser 7 vor der Metallisierung z. B. mit Flusssäure geätzt werden.
Für die partielle Metallisierung 22 des Fasermantels 21 können Gold, Silber, Kupfer, Palladium oder andere Metalle verwendet werden. Gold wird wegen seiner sehr guten chemischen Beständigkeit bevorzugt verwendet, auch wenn sich mit Silber- und Kupferschichten leicht höhere Empfindlichkeiten realisieren lassen.
Da die Anregung durch das evaneszente Feld einer Mantelmode erfolgt, verschlechtert sich die Leistungskopplung, wenn die Metallschicht 22 eine bestimmte Dicke übersteigt. Um eine optimale Ausbreitung der Oberflächenwelle zu erlauben, ist jedoch auch eine Mindestdicke einzuhalten. Abhängig vom Material der Metallschicht, der Arbeitswellenlänge und der Brechzahl n_A des Umgebungsmediums kann die Schichtdicke jedoch zwischen 30 nm und 100 nm betragen. Die optimale Schichtdicke beträgt für Gold ca. 50 nm.
Um den Sensor 1 an ein Umgebungsmedium 19 mit niedriger Brechzahl n_A, z. B. einer wässrigen Flüssigkeit, anzupassen und um im hochempfindlichen infraroten Wellenlängenbereich (~1500 nm) arbeiten zu können, kann die Metallschicht 22 zusätzlich mit einer dünnen intermedialen Schicht 23 hoher Brechzahl versehen werden.
Mit dem in 2 gezeigten anderen erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor in reflektiver Anordnung lässt sich das oben beschriebene Sensorprinzip ebenfalls als eine reflektive Anordnung 5 umsetzen. Dabei wird die Mantelmode 12 reflektiert, nachdem sie die Metallbeschichtung 22 passiert hat.
Als Reflektor wird das kurzperiodische Bragg-Gitter 18 eingesetzt, welches für die niedrigere effektive Brechzahl der Mantelmode 12 ausgelegt ist und deshalb eine höhere Gitterperiode besitzt. Dabei wird nur die ausgewählte Mantelmode 12, jedoch nicht die Eingangs-Kernmode 11 reflektiert.
Die Kopplung der Eingangs-Kernmode 11 in die ausgewählte Mantelmode 12 und Rückkopplung der reflektierten Mantelmode 16 in die Ausgangs-Kernmode 17 erfolgen über dasselbe langperiodische Bragg-Gitter 10, so dass auf ein zweites langperiodisches Bragg-Gitter verzichtet werden kann.
Um störende Wechselwirkungen mit der Eingangs-Kernmode zu verhindern, ist auf einen reflexionsfreien Abschluss der Singlemode-Faser 7 zu achten.
Lichtquelle 8 und Detektor 9 liegen bei einem solchen Aufbau auf der gleichen Faserseite. Dabei ist es notwendig, die emittierte und reflektierte optische Leistung zu trennen. Da bei einem Faserkoppler 24 nur ein Teil der optischen Leistung von der Lichtquelle 8 in die Eingangs-Kernmode 11 und von der reflektierten Ausgangs-Kernmode 17 zum Detektor 9 gelangt, kann alternativ dazu ein aufwendiger, aber nahezu verlustfrei arbeitender Zirkulator 20 eingesetzt werden.
Die Metallisierung 22 des Fasermantels 21 muss sich nicht zwangsläufig nur zwischen den beiden langperiodischen Bragg-Gittern 10, 15 befinden. Sie kann auch den Fasermantel 21 im gesamten Sensorbereich 25 über den Bragg-Gittern 10, 13, 15, 18, 26, 27 oder darüber hinaus abdecken.
Da für die Anregung der Oberflächenplasmonen die Metallisierung eines relativ kleinen Bereiches des Fasermantels 21 genügt, wird die Größe des Sensorbereichs 25 durch die notwendige Länge der Bragg-Gitter 10, 13, 15, 18, 26, 27 bestimmt.
Bei kurzperiodischen Bragg-Gittern 13 genügt zur Unterdrückung der Kernmode 11 eine relativ kurze Länge zwischen 2 mm und 10 mm.
Die notwendige Länge des kurzperiodischen Bragg-Gitters 18 zur vollständigen Reflexion der Mantelmode 12 übersteigt die Länge des konventionellen kurzperiodischen Bragg-Gitters 13, da nur ein Teil der Mantelmode im Faserkern 28 geführt wird. Die notwendige Länge hängt stark vom Feldverlauf der verwendeten Mantelmode 12 und von der Stärke der Brechzahlmodulation ab. Sie beträgt auch im günstigsten Fall mehrere Zentimeter.
Die Länge der langperiodischen Bragg-Gitter 10, 15, die notwendig ist, um die gesamte optische Leistung der Kernmode in die Mantelmode oder umgekehrt zu koppeln, liegt ebenfalls im Bereich mehrerer Zentimeter. Auch hier spielen der Feldverlauf der verwendeten Mantelmode 12 und die Stärke der Brechzahlmodulation eine wesentliche Rolle.
Um einen möglichst kompakten Sensorbereich 25 zu erreichen, ist es sowohl bei einer transmittiven als auch bei einer reflektiven Anordnung zweckmäßig, die Bragg-Gitter 10, 13, 15, 18 ohne Abstand in den Kernbereich 28 der Singlemode-Faser 7 zu schreiben. Die Metallisierung 22 sollte dabei mindestens den Fasermantel im Bereich des kurzperiodischen Bragg-Gitters 13 bzw. 18 der Anordnung 4 bzw. 5 bedecken.
Die Länge des Sensorbereichs 25 lässt sich weiter verringern, wenn kurzperiodische und langperiodische Bragg-Gitter übereinander geschrieben werden.
3 zeigt einen dritten Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors 3 mit einer solchen Anordnung. Anstelle der zwei identischen langperiodischen Bragg-Gitter 10, 18 wird ein langperiodisches Bragg-Gitter 26 mit der doppelten notwendigen Länge verwendet.
Über den mittleren Bereich dieses sehr langen langperiodischen Bragg-Gitters 26 wird das kurzperiodische Bragg-Gitter 27 in den Kernbereich eingeschrieben, um die Ausbreitung der Eingangs-Kernmode zu unterdrücken.
Die Metallisierung 22 bedeckt in der dargestellten Anordung 6 den Fasermantel 21 des gesamten Sensorbereiches. Sie sollte mindestens den Fasermantel im Bereich des kurzperiodischen Bragg-Gitters 27 bedecken.
Die Vorgehensweise dieser transmittiven Anordung 6 lässt sich auf die reflektive Anordung 5 des Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors 2 übertragen.
Die intensitätsbasierte Auswertung der Sensoren 1, 2, 3 beruht auf der unterschiedlichen Wellenlängenabhängigkeit (Dispersion) der effektiven Brechzahlen n_eff von Oberflächenplasmonen 29 und anregender Mantelmode 12, 16. Dadurch wird die Resonanzbedingung nur in einem begrenzten Spektralbereich erfüllt, der sich in Abhängigkeit der Umgebungsbrechzahl n_A Verschiebt.
4 zeigt an einem Beispiel mit einer 50 nm dünnen Silberschicht und einer Umgebungsbrechzahl n_A = 1.37 die Zusammenhänge in einer effektiven Brechzahl-Wellenlängen-Charakteristik. Es sind die Ausbreitungskonstanten der Oberflächenplasmonen und der anregenden Mantelmode als effektive Brechzahlen n_SPW und n_LP0m über der Wellenlänge aufgetragen (Dispersionskurven). Im weiterhin dargestellten SPR-Spektrum wird der relative Anteil der ausgekoppelten optischen Leistung als Reflektivität der Metallschicht dargestellt.
Die Resonanzwellenlänge λ_SPR liegt an dem Schnittpunkt beider Dispersionskurven. Wie der Verlauf des SPR-Spektrums zeigt, können Oberflächenplasmonen aber auch mit abweichenden Ausbreitungskonstanten angeregt werden, jedoch nimmt dabei die eingekoppelte Leistung rasch ab.
Da das Koppelverhalten der langperiodischen Bragg-Gitter ein schmales (LPG) Spektrum besitzt, kann bei einer bestimmten Wellenlänge fast die gesamte optische Leistung der Mantelmode in die Oberflächenplasmonen-Resonanz überführt werden.
Eine Änderung der Umgebungsbrechzahl führt zu einer Verschiebung der n_SPW-Dispersionskurve und damit zu einer Verschiebung des SPR-Spektrums. Da das LPG-Spektrum für sehr kleine Änderungen unbeeinflusst bleibt, erfolgt dadurch eine Änderung der absorbierten Leistung. in dem in 4 dargestellten Beispiel hat sich bereits bei einer Änderung der Umgebungsbrechzahl Δn_A von 10^–2 das SPR-Spektrum soweit verschoben, dass keine Leistung mehr in die Oberflächenplasmonen eingekoppelt werden kann.
Die resultierende Brechzahlauflösung hängt davon ab, wie genau die Änderung der transmittierten Leistung detektiert werden kann.
Durch eine entsprechende Funktionalisierung der Metalloberfläche kann der Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor in einem biotechnologischen Umfeld verwendet werden. Eine solche Anwendung des erfindungsgemäßen Sensors 1, 2, 3 kann mit einem System aus mindestens zwei der beschriebenen Sensorfasern erfolgen.
Einer der beiden Sensorfasern besitzt dabei eine biofunktionale Schicht an der Manteloberfläche zur Untersuchung von biotechnologischen Vorgängen. Die biofunktionale. Schicht kann selektiv einen gesuchten biochemischen Stoff an sich binden und so eine Änderung der Umgebungsbrechzahl herbeiführen.
Die resultierende Änderung der transmittierten bzw. reflektierten optischen Leistung wird differenziell zu der zweiten Sensorfaser gemessen, die dem gleichen Medium ausgesetzt ist, jedoch keine biochemische Funktionalisierung besitzt. So können Messfehler, z. B. durch eine Temperaturdrift vermieden werden.
Diese Vorgehensweise wird standardmäßig bei kommerziellen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensoren verwendet. Es lässt sich jedoch durch eine faseroptische Umsetzung in ein viel kompakteres Sensorsystem integrieren und erlaubt so die gleichzeitige Verwendung einer Vielzahl von unterschiedlich funktionalisierten Sensorfasern.
Ein potentielles Anwendungsgebiet des Sensors ist die Insitu-Prozessüberwachung in Bioreaktoren, die in verschiedenen Formen in der Lebensmitteltechnik, medizinischen Forschung und Biotechnologie verwendet werden.
Im Folgenden werden die ausschlaggebenden Einflüsse auf den Dispersionsverlauf der Oberflächenplasmonen vorgestellt und die Wahl des Sensorarbeitspunktes erläutert. Die getroffenen Aussagen beruhen auf Berechnungen, ausgehend von einem planaren Oberflächenplasmonen-Resonanz-Aufbau. Dies stellt, auf Grund des relativ großen Fasermanteldurchmessers (125 μm), eine zulässige Näherung dar. Für die Bestimmung der effektiven Brechzahl und der Koppeleffizienz der Oberflächenplasmonen und Mantelmoden wurden softwaregestützte Berechnungen vorgenommen.
Die Größen, welche zur Dimensionierung des Sensors 1, 2, 3 berücksichtigt werden, sind:

– Umgebungsbrechzahl n_A, die von zusätzlichen Bio-Funktionalisierungen beeinflusst wird,
– Wellenlänge λ der Laserquelle 8,
– Material mit einer komplexen Permittivität ε_M = f(λ)) und einer Dicke d_M der Metallschicht 22,
– Geometrie der Singlemode-Faser 7 und Brechzahl des Faserkerns 28 und -mantels 21.

Um aus den genannten Faktoren die Empfindlichkeit des Sensors abzuleiten, wird die Reflektivität des Fasermantel-Metallschicht-Übergangs herangezogen.
Da die Reflektivität das Verhältnis von einfallender und reflektierter optischer Leistung beschreibt, kann mit ihr die Abhängigkeit der transmittierten bzw. reflektierten optischen Leistung der Sensorfaser von der Umgebungsbrechzahl n_A beschrieben werden. Diese Angabe der Empfindlichkeit beruht auf der Annahme, dass die Anregung der Oberflächenplasmonen nur an einer diskreten Wellenlänge stattfindet. Sie ist zulässig, da die langperiodischen Bragg-Gitter ein sehr schmales Koppelspektrum besitzen. Die mathematische Berechnung der Reflektivität beruht auf der bekannten Methode nach Fresnel. Wie in der elektrischen Leitungstheorie wird jedoch zuerst die Wellenimpedanz des Umgebungsmediums durch die komplexe Wellenimpedanz des Metalls transformiert.
Der Ausbildungsprozess des Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors 1, 2, 3 beginnt mit der Wahl einer schmalbandigen monochromatischen Lichtquelle 8 mit geeigneter mittlerer Wellenlänge. Die Wahl der Arbeitswellenlänge λ ist auf den Spektralbereich beschränkt, in dem Oberflächenplasmonen ausbreitungsfähig sind und bestimmt die effektive Brechzahl n_SPW der Oberflächenplasmonen.
Der der spektrale Verlauf der effektiven Brechzahl n_SPW der Oberflächenplasmonen an der Arbeitswellenlänge bestimmt die Empfindlichkeit des Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors. Der Dispersionsverlauf wird maßgeblich von der komplexen Permittivität des Metalls und der Umgebungsbrechzahl n_A bestimmt.
5 zeigt die berechneten Dispersionskurven einer 50 nm dünnen Goldschicht für folgende Umgebungsbrechzahlen mit n_A = 1.33, 1.37, 1.4. Die durchgezogenen Kurven zeigen das Reflektivitätsminimum des Substrat-Metall-Übergangs. Die unterbrochen Kurven wurden nach Gleichung (I) berechnet. Beide Kurven zeigen in einem weiten Bereich eine sehr gute Übereinstimmung. Es ist jedoch zu beachten, dass die Anregung der Oberflächenplasmonen auf Totalreflexion im Wellenleiter basiert und die effektive Brechzahl n_SPW nach oben durch die Brechzahl n_S des Mantelmaterials (SiO₂) begrenzt wird. Die durchgezogenen Dispersionskurven besitzen deshalb einen Maximalwert zwischen 600 nm und 800 nm. Bei hohen effektiven Brechzahlen sinkt die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes soweit, dass die optimale Kopplung (Reflektivitäts-Minimum) unterhalb des nach Gleichung (I) berechneten n_SPW-Verlaufes stattfindet.
Die effektive Brechzahl der Oberflächenplasmonen fällt mit steigender Wellenlänge exponential ab und konvergiert im infraroten Bereich gegen einen Minimalwert, der direkt durch die Höhe der Umgebungsbrechzahl n_A bestimmt wird. Unterhalb dieses Wertes wird die anregende Leistung in das Umgebungsmedium abgestrahlt, da an der Substrat-Metall-Grenzfläche keine Totalreflexion (TR) mehr möglich ist.
Eine Änderung der Umgebungsbrechzahl n_A verursacht eine vertikale Verschiebung des Dispersionsverlaufs. Der Anstieg der Dispersionskurve bleibt dabei weitgehend unbeeinflusst. Die Kurve kann sich jedoch zu geringeren Wellenlängen ausdehnen, bis die maximale effektive Brechzahl wieder erreicht wird. Diese Verschiebung ist der grundlegende Mechanismus des Sensors 1, 2, 3 bei dem die Anregung der Oberflächenplasmonen durch eine Mantelmode mit fester effektiver Brechzahl n_LP0m erfolgt.
6 zeigt den spektralen Verlauf der effektiven Brechzahl für eine 50 nm dünne Goldschicht bei einer Umgebungsbrechzahl n_A = 1.37. Weiterhin ist in einer Nebencharakteristik die Reflektivität des Substrat-Metall-Übergangs als Funktion der effektiven Brechzahl an unterschiedliche Arbeitswellenlängen dargestellt.
Die effektive Brechzahl n_LP0m der anregenden Mantelmode sollte abseits des Reflektivitäts-Minimums auf der Hälfte fallenden Flanke liegen, um eine möglichst hohe Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensors 1, 2, 3 zu erreichen und die Richtung der Brechzahländerung bestimmen zu können.
Die Empfindlichkeit an diesen Arbeitspunkten, d. h. die Abhängigkeit der Reflektivität von der Umgebungsbrechzahl, ist in 7 dargestellt. Sie nimmt mit wachsender Wellenlänge zu. Der Messbereich verringert sich jedoch bei sehr hohen Wellenlängen. Dies kann durch eine Verringerung der Metallschichtdicke kompensiert werden. Dabei wird jedoch die Empfindlichkeit etwas reduziert.
In 8 wird gezeigt, dass die Empfindlichkeit weitestgehend unabhängig von der Umgebungsbrechzahl n_A ist. Eine Verringerung der Umgebungsbrechzahl n_A führt jedoch zu einer Abnahme der effektiven Brechzahl n_LP0m der anregenden Mantelmode 12 und führt so, gerade bei hohen Wellenlängen, zu Werten, die die Sensorausbildung erschweren. Diese Problematik wird im Folgenden näher erläutert.
Aus der Lage des Arbeitspunktes und den Eigenschaften der verwendeten Singlemode-Faser 7 resultiert die Ordnung der anregenden Mantelmode 12. Ihre wellenlängenabhängige Feldverteilung und effektive Brechzahl lässt sich mit Hilfe der Maxwellschen Gleichungen bestimmen. Die wichtigsten Parameter sind dabei Durchmesser und Brechzahl des Faserkerns und -mantels. Die folgende Tabelle 1 führt Werte an, die kommerziell erhältlichen Fasern entnommen wurden, die im angegebenen Wellenlängenbereich die Forderung nach Einmodigkeit und Verlustfreiheit erfüllen. Tabelle 1:
Die genannten Faserparameter bestimmen ebenfalls die Feldverteilung und effektive Brechzahlen n_LP01 der Kernmode 11 und damit die Gitterperiode Λ_FBG des kurzperiodischen Bragg-Gitters 13, 27 zur Unterdrückung der residualen Kernmode LP₀₁ 14. Sie berechnet sich nach Gleichung (III):
Die notwendige Länge des kurzperiodischen Bragg-Gitters 13, 27 ist vom Feldverlauf der Kernmode LP₀₁ 11 abhängig und bestimmt die resultierende Unterdrückung. Die folgende Tabelle 2 zeigt die entsprechenden Werte für verschiedene Wellenlängen. Tabelle 2:

720 nm 820 nm 1500 nm

n_LP01 = 1,4577 n_LP01 = 1,4548 n_LP01 = 1,4470

Λ_FBG = 247 nm Λ_FBG = 282 nm Λ_FBG = 518 nm

L_opt = 2 mm L_opt = 2 mm L_opt = 1 cm
Um an dem gewählten Arbeitspunkt Oberflächenplasmonen anzuregen, d. h. bei einer 50 nm dünnen Goldschicht eine Reflektivität von 0,5 zu erreichen, müssen in Abhängigkeit der Wellenlänge λ (vgl. 7) und der Umgebungsbrechzahl n_A (vgl. 8) Mantelmoden LP_0m 12 unterschiedlicher effektiver Brechzahl ausgewählt werden. Die folgende Tabelle 3 führt die Ordnung der geeigneten Mantelmode 12 und ihre effektiven Brechzahlen, für unterschiedliche Wellenlängen und Umgebungsbrechzahlen auf. Tabelle 3:
Die Periode Λ_LPG der langperiodischen Bragg-Gitter 10, 15, 26, die zur Anregung der Mantelmode LP_0m 12 verwendet werden, ergibt sich aus der Differenz der effektiven Brechzahl n_LP01 von Kernmode 11 und effektiver Brechzahl n_LP0m von Mantelmode 12:
Die Länge L_opt des langperiodischen Bragg-Gitters 10, 15, 26, die notwendig ist, um die gesamte optische Leistung der Kernmode 11 in die Mantelmode 12 oder umgekehrt zu koppeln, wird von der Überlappung der Feldverläufe beider Moden bestimmt und kann so für einige Mantelmoden sehr hohe Werte annehmen. Die folgende Tabelle 4 führt beide Parameter für unterschiedliche Wellenlängen und Umgebungsbrechzahlen auf. Tabelle 4:
Es ist zu erkennen, dass für Mantelmoden 12 mit niedriger effektiver Brechzahl n_LP0m geringe Gitterperioden Λ_LPG erforderlich sind, die sich schwer realisieren lassen. Wesentlich schwerwiegender sind jedoch die hohen Gitterlängen L_opt, die in diesem Bereich notwendig sind und eine zweckmäßige Umsetzung des Sensorsystems unmöglich machen. Es ist ersichtlich, dass im interessanten Messbereich mit einer niedrigen Umgebungsbrechzahl (z. B. Wasser → 1.33) mit niedrigen Wellenlängen gearbeitet werden muss, bei denen sich jedoch wesentlich geringere Empfindlichkeiten als bei hohen Wellenlängen erreichen lassen.
Die Periode Λ_FPGm des kurzperiodischen Bragg-Gitters 18, welches in der reflektiven Anordnung 5 eingeschrieben wird, wird durch die effektive Brechzahl n_LP0m der Mantelmode bestimmt und berechnet sich wie folgt nach Gleichung (V):
Die notwendige Länge des kurzperiodischen Bragg-Gitters ist vom Feldverlauf der Mantelmode abhängig und kann für Mantelmoden hoher Ordnung sehr große Werte annehmen. Sie liegt weit über den Werten für eine transmittive Anordnung. Dies liegt daran, dass diese nur wenig Leistung im Faserkern führen, in dem das kurzperiodische Bragg-Gitter eingeschrieben ist. Das Problem lässt sich durch Gitter mit einer sehr starken Brechzahlmodulation oder einem Gitter im Fasermantel kompensieren. Der Herstellungsprozess wird dadurch jedoch komplizierter. Die folgende Tabelle 5 zeigt die notwendigen Perioden und Gitterlängen für verschiedene Wellenlängen. Tabelle 5:
Eine Möglichkeit, trotz niedriger Umgebungsbrechzahlen n_A, hochempfindliche Messungen bei hohen Wellenlängen vorzunehmen, besteht darin, die Oberflächenplasmonen-Resonanz mit einer dünnen, hochbrechenden Beschichtung 23 über der Metallschicht 22 zu höheren Ausbreitungskonstanten bzw. niedrigen Modenordnungen zu verschieben.
Der Effekt einer solchen intermedialen Schicht 23 wird in 9 an Hand einer Ta₂O₅-Beschichtung verdeutlicht, die im Infraroten eine Brechzahl von ~2,2 besitzt. Es ist eine deutliche Verbesserung der Gitterperioden und -längen mit wachsender Schichtdicke ausgewiesen. So lässt sich bereits bei Schichtdicken von 50–70 nm ein Sensorsystem im Infrarotbereich (1500 nm) mit sinnvollen Werten für Gitterperioden und -längen realisieren. Dadurch wird nicht nur die Empfindlichkeit des Sensors 1 erhöht, sondern auch die Verwendung von preiswerten und hochqualitativen Bauelementen aus der Telekommunikationstechnik ermöglicht.
Es ist jedoch zu beachten, dass die Gitterlänge der FBGs einige extreme Maxima besitzt, die dem Feldverlauf der jeweiligen Mantelmoden-Ordnung 12 geschuldet sind. Um derartige Maxima umgehen zu können, ohne die Ta₂O₅-Schichtdicke erhöhen zu müssen, kann die effektive Brechzahl n_eff der ausgewählten Mantelmode 12 erniedrigt werden, indem der Durchmesser des Fasermantels 21 um einige Mikrometer reduziert wird. Dazu kann die Singlemode-Faser 7 vor der Metallisierung z. B. mit Flusssäure geätzt werden. Diese Vorgehensweise ist deshalb interessant, weil die Empfindlichkeit des Sensorsystems mit wachsender Schichtdicke abnimmt, wie in 10 abgelesen werden kann.
Der faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor 1, 2, 3 besitzt folgende Vorteile:

– kompakte Umsetzung des Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensorprinzips,
– keine beweglich mechanischen Teile notwendig,
– kostengünstige Auswertung mit einzelner Photodiode,
– polarisationsunabhängige Anregung der Oberflächenplasmonen durch zylindrische Faserform,
– hohe Empfindlichkeit im Vergleich zu anderen faseroptischen Sensoren, durch Anregung mit einer einzelnen Mantelmode im Infrarotbereich,
– mechanisch robuster Faserdurchmesser von 125 μm im Vergleich zu anderen faseroptischen Sensoren,
– Kompatibilität zu etablierter optischer Übertragungstechnik der Telekommunikation mit hochqualitativen Komponenten, die preiswert verfügbar sind,
– Umsetzung als reflektive Anordnung erlaubt Insitu-Messungen unabhängig von der Art des Gefäßes, in dem sich der Analyt als angrenzendes Medium befindet.

Claims

Faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor (1) zur Bestimmung von Brechzahlen (n_A) faserangrenzender Medien (19) in einer Anordnung (4) mit einer ein langperiodisches Bragg-Gitter (10) enthaltenden Faser (7), einer auf eine Arbeitswellenlänge (λ) beschränkte Lichtquelle (8) und einem Detektor (9) sowie einer den Mantel (12) der Faser (7) umgebenden Metallschicht (22), dadurch gekennzeichnet, dass vorhanden sind – ein im Kernbereich (28) der als optischer Wellenleiter eingesetzten Singlemode-Faser (7) eingeschriebenes erstes langperiodisches Bragg-Gitter (10) zur Einkopplung der Eingangs-Kernmode (11) in eine ausgewählte Mantelmode (12), – ein dem ersten langperiodischen Bragg-Gitter (10) nachgeordnetes kurzperiodisches Bragg-Gitter (13) zur Unterdrückung der Ausbreitung eines residualen Kernmodeteils (14) der ausgewählten Mantelmode (12), – ein dem kurzperiodischen Bragg-Gitter (10) nachgeordnetes zweites langperiodisches Bragg-Gitter (15) zur Auskopplung der ausgewählten Mantelmode (12) in eine Ausgangs-Kernmode (17), wobei das zweite langperiodische Bragg-Gitter (15) mit dem ersten langperiodischen Bragg-Gitter (10) identisch ist, – die den Mantel (21) der Singlemode-Faser (7) rundum umgebende dünne Metallschicht (22), an der die ausgewählte Mantelmode (12) eine Oberflächenplasmonenwelle (29) anregt, wobei die Metallschicht (22) zumindest zwischen dem ersten langperiodischen Bragg-Gitter (10) zur Einkopplung der Mantelmode (12) und dem zweiten langperiodischen Bragg-Gitter (15) zur Auskopplung der Mantelmode (12) angeordnet ist, wobei die drei angeordneten Bragg-Gitter (10, 13, 15) einen Sensorbereich (25) ausbilden und die Periode des kurzperiodischen Bragg-Gitters (13) im Bereich von 100 nm bis 1 μm und die Perioden der langperiodischen Bragg-Gitter (10, 15) im Bereich von 10 μm bis 100 μm vorgegeben sind, wobei die in der Ausgangs-Kernmode (17) verbleibende optische Leistung (l_opt) dem Detektor (9) zur Messung und für eine Auswertung zur Bestimmung der Brechzahl (n_A) gemäß einer funktionalen Abhängigkeit l_opt = f(n_A) zugeführt wird.
Faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor (2) zur Bestimmung von Brechzahlen (n_A) faserangrenzender Medien (19) in einer Anordnung (5) mit einer ein langperiodisches Bragg-Gitter (10) enthaltenden Faser (7), einer auf eine Arbeitswellenlänge (λ) beschränkten Lichtquelle (8) und einem Detektor (9) sowie einer den Mantel (12) der Faser (7) umgebenden Metallschicht (22), wobei zwischen der Lichtquelle (8) und dem Detektor (10) einerseits und der Faser (7) andererseits ein Faserkoppler (24) oder ein Zirkulator (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass vorhanden sind – ein im Kernbereich (28) der als optischer Wellenleiter eingesetzten Singlemode-Faser (7) eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter (10, 26) zur Einkopplung der Eingangs-Kernmode (11) in eine ausgewählte Mantelmode (12), – ein dem langperiodischen Bragg-Gitter (10) nachgeordnetes kurzperiodisches Bragg-Gitter (18) zur Unterdrückung der Ausbreitung eines residualen Kernmodeteils (14) der ausgewählten Mantelmode (12) und zur gleichzeitigen Reflexion der ausgewählten Mantelmode (12), – wobei nach Reflexion der ausgewählten Mantelmode (12) das dem kurzperiodischen Bragg-Gitter (18) vorgeordnete, gleiche langperiodische Bragg-Gitter (10) zur Auskopplung der ausgewählten Mantelmode (12, 16) in eine Ausgangs-Kernmode (17) dient, – die den Mantel (21) der Singlemode-Faser (7) rundum umgebende dünne Metallschicht (22), an der die ausgewählte Mantelmode (12, 16) eine Oberflächenplasmonenwelle (29) anregt, wobei die Metallschicht (22) zwischen dem langperiodischen Bragg-Gitter (10) und dem kurzperiodischen Bragg-Gitter (18) angeordnet ist, wobei die beiden angeordneten Bragg-Gitter (10, 18) einen Sensorbereich (25) ausbilden und die Periode des kurzperiodischen Bragg-Gitters (18) im Bereich von 100 nm bis 1 μm und die Periode des langperiodischen Bragg-Gitters (10) im Bereich von 10 μm bis 100 μm vorgegeben sind, wobei die in der Ausgangs-Kernmode (17) verbleibende optische Leistung (l_opt) dem Detektor (9) zur Messung und für eine Auswertung zur Bestimmung der Brechzahl (n_A) gemäß einer funktionalen Abhängigkeit l_opt = f(n_A) zugeführt wird.
Faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor (3) zur Bestimmung von Brechzahlen (n_A) faserangrenzender Medien (19) in einer Anordnung (6) mit einer ein langperiodisches Bragg-Gitter (26) enthaltenden Faser (7), einer auf eine Arbeitswellenlänge (λ) beschränkten Lichtquelle (8) und einem Detektor (9) sowie einer den Mantel (12) der Faser (7) umgebenden Metallschicht (22), dadurch gekennzeichnet, dass vorhanden sind – ein im Kernbereich (28) der als optischer Wellenleiter eingesetzten Singlemode-Faser (7) eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter (26) zur Kopplung der Eingangs-Kernmode (11) in eine ausgewählte Mantelmode (12), wobei das langperiodische Bragg-Gitter (26) ein langes langperiodisches Bragg-Gitter darstellt, – ein kurzperiodisches Bragg-Gitter (27) zumindest zur Unterdrückung der Ausbreitung eines residualen Kernmodeteils (14) der ausgewählten Mantelmode (12), wobei das kurzperiodische Bragg-Gitter (27) über einen vorgegebenen mittigen Bereich des sehr langen langperiodischen Bragg-Gitters (26) zur Transmission der Mantelmode (12) oder über einen zur Lichtquelle (8) abgewandtem Gitterbereich des langen langperiodischen Bragg-Gitters (26) zur Reflexion der Mantelmode (12) in den Kernbereich (28) eingeschrieben ist, – eine den Mantel (21) der Singlemode-Faser (7) rundum umgebende dünne Metallschicht (22), an der die ausgewählte Mantelmode (12, 16) eine Oberflächenplasmonenwelle (29) anregt, wobei die Metallschicht (22) zumindest längs des langen langperiodischen Bragg-Gitters (26) angeordnet ist, und wobei das lange langperiodische Bragg-Gitter (26) einen Sensorbereich (25) ausbildet und die Periode des kurzperiodischen Bragg-Gitters (27) im Bereich von 100 nm bis 1 μm und die Periode des langen langperiodischen Bragg-Gitters (26) im Bereich von 10 μm bis 100 μm vorgegeben sind, wobei die in der Ausgangs-Kernmode (17) verbleibende optische Leistung (l_opt) dem Detektor (9) zur Messung und für eine Auswertung zur Bestimmung der Brechzahl (n_A) gemäß einer funktionalen Abhängigkeit l_opt = f(n_A) zugeführt wird.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die reflektive Anordnung (5) das dem ersten langperiodischen Bragg-Gitter (10) zugeordnete kurzperiodische Bragg-Gitter (18) eine längere Periode besitzt, wodurch sich die Eingangs-Kernmode (11) in Strahlrichtung weiterbewegt und die Oberflächenplasmonen anregende Mantelmode (12) in ihrer Strahlrichtung umgekehrt und die reflektierte Mantelmode (16) über das vorgeordnete langperiodische Gitter (10) in eine Ausgangs-Kernmode (17) bei einem reflexionsfreien Abschluss der Singlemode-Faser (7) rückgekoppelt wird.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den Mantel (21) der Singlemode-Faser (7) rundum umgebende dünne Metallschicht (22) aus Metallen wie Gold, Silber, Palladium, Kupfer oder Aluminium besteht.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (21) der Singlemode-Faser (7) rundum und über den gesamten Bereich der eingeschriebenen Gitter (10, 15; 10, 18) mit einer dünnen Metallschicht (22) bedeckt ist.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (8) die Eingangs-Kernmode (11) anregt, die durch das erste langperiodische Bragg-Gitter (10) in die anregende Mantelmode (12) gekoppelt wird, wobei die erforderliche Periode des langperiodischen Bragg-Gitters (10) sich aus der Differenz der effektiven Brechzahl (n_LP01) der Eingangs-Kernmode (11) und der effektiven Brechzahl (n_LP0m) der anregenden Mantelmode (12, 16) sowie der Arbeitswellenlänge (λ) ergibt.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er eine monochromatische Lichtquelle (8) enthält, die ein derartig begrenztes Spektrum aufweist, dass die gesamte optische Leistung zwischen Eingangs-Kernmode (11) oder Ausgangs-Kernmode (17) und anregender Mantelmode (12, 16) von den langperiodischen Bragg-Gittern (10, 15, 26) gekoppelt wird und die kurzperiodischen Bragg-Gitter (13, 18, 27) die gesamte optische Leistung der Eingangs-Kernmode (11) oder der anregenden Mantelmode (12) je nach Bedarf transmittieren oder reflektieren.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (8) eine Laserdiode und der Detektor (9) eine Photodiode sind.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der optischen Leistung (l_opt), die der Oberflächenplasmonen anregenden Mantelmode (12, 16) an der Grenzfläche der dünnen Metallschicht (22) entzogen wird, mittels der Arbeitswellenlänge (λ) der Lichtquelle (8), der effektiven Brechzahl (n_LP0m) der anregenden Mantelmode (12, 16) und der Brechzahl (n_A) des angrenzenden Mediums (19) sowie von der komplexen Permittivität (ε_M) des Metalls (22) bestimmt wird.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dünnen Metallschicht (22) eine intermediale Schicht (23) aufgebracht ist.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne intermediale Schicht (23) eine hohe Brechzahl zur Anpassung an den niedrigen Brechzahlbereich (n_A) des angrenzenden Mediums (19) aufweist.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das als Reflektor dienende kurzperiodische Bragg-Gitter (18) für die effektive Brechzahl (n_LP0m) der die Oberflächenplasmonenwelle (29) anregenden Mantelmode (12) ausgelegt ist.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die intensitätsbasierte Auswertung auf der unterschiedlichen Wellenlängenabhängigkeit der Ausbreitungskonstanten von Oberflächenplasmonen (29) und anregender Mantelmode (12, 16) und dem spektral stark begrenzten Koppelverhalten der langperiodischen Bragg-Gitter (10, 15, 26) beruht.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung der effektiven Brechzahl (n_eff) der ausgewählten Mantelmode (12) an die effektive Brechzahl (n_SPW) der Oberflächenplasmonen (29) der Durchmesser des Fasermantels (21) zumindest im Sensorbereich (25), in dem die Bragg-Gitter (10, 15, 26) eingeschrieben sind, um einige Mikrometer reduziert wird.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfaser (7) an der Metallschichtoberfläche als intermediale Schicht mindestens eine biofunktionale Schicht zur Untersuchung von biotechnologischen Vorgängen besitzt, wobei die biofunktionale Schicht selektiv einen gesuchten biochemischen Stoff an sich bindet und so eine Änderung der Brechzahl (nA) des angrenzenden Mediums (19) zur Messung und Auswertung herbeiführt.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine mit einer biofunktionalen Schicht versehene Sensorfaser (7) in Verbindung mit mindestens einer weiteren Sensorfaser ohne biofunktionale Schicht steht, wobei die resultierende Änderung der transmittierten oder der reflektierten optischen Leistung differenziell zu der zweiten Sensorfaser ohne biofunktionale Schicht gemessen wird, die dem gleichen angrenzenden Medium (19) ausgesetzt ist.