螺旋形塑料光纤表面等离子体共振折射率传感器_徐跃.pdf

文章编号：1002-2082(2023)01-0226-08螺旋形塑料光纤表面等离子体共振折射率传感器徐跃1,3,4，薛鹏2,3,4，张瑞1,3,4，陈媛媛1,4（1.中北大学信息与通信工程学院，山西太原030051；2.中北大学电气与控制工程学院，山西太原030051；3.中北大学前沿交叉科学研究院，山西太原030051；4.山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西太原030051）摘摘 要：要：研究了基于波长调制的螺旋形塑料光纤（plasticopticalfiber,POF）表面等离子体共振（surfaceplasmonresonance,SPR）折射率传感器。采用机械热压和扭曲法将塑料光纤制备成螺旋形，在螺旋形 POF 上通过磁控溅射蒸镀一定厚度（约 50nm）的金属薄膜来激励 SPR 效应，从而形成螺旋形 POF-SPR 传感器。通过对螺旋形 POF-SPR 传感器的结构进行修饰，研究不同结构参数对折射率传感特性的影响。实验结果表明：由厚度为 500m 扁平形 POF 扭制、螺纹数为 4 的螺旋形 POF-SPR 传感器具有较好的线性度和折射率传感特性，在折射率为 1.3351.400 范围内测得的灵敏度为 1262nm/RIU。该传感器具有成本较低、制备简单、结构稳定等优点。关键词：关键词：塑料光纤；螺旋形；折射率传感；表面等离子体共振中图分类号：TN253;O433.4文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0108002Plasmon resonance refractive index sensor of spiral-shapedplastic optical fiber surfaceXUYue1,3,4，XUEPeng2,3,4，ZHANGRui1,3,4，CHENYuanyuan1,4（1.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China；2.SchoolofElectricalandControlEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China；3.InstituteofFrontierandInterdisciplinaryScience,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China；4.ShanxiProvinceOptoelectronicInformationandInstrumentEngineeringTechnologyResearchCenter,Taiyuan030051,China）Abstract：Aspiral-shapedplasticopticalfiber(POF)surfaceplasmonresonance(SPR)refractiveindexsensorbasedonwavelengthmodulationwasstudied.First,theplasticopticalfiberwaspreparedintoaspiralbymechanicalhotpressinganddeformingmethod,andthenametalfilmwithacertainthickness(about50nm)wasdepositedonthespiral-shapedPOFbymagnetronsputteringtostimulatetheSPReffect,therebyformingaspiral-shapedPOF-SPRsensor.Bymodifyingthestructureofthespiral-shapedPOF-SPRsensor,theeffectsofdifferentstructuralparametersontherefractiveindexsensingpropertieswerestudied.Theexperimentalresultsshowthatthespiral-shapedPOF-SPRsensordeformingfromaflatPOFwithathicknessof500mandathreadnumberof4hasthebetterlinearityandrefractiveindexsensingcharacteristics,andthemeasuredsensitivity in the refractive index range of 1.3351.400 is 1 262 nm/RIU.The proposed sensor has theadvantagesoflowcost,simplepreparationandstablestructure.Key words：plasticopticalfiber；spiral；refractiveindexsensor；surfaceplasmonresonance收稿日期：2022-03-18；修回日期：2022-05-13基金项目：山西省基础研究计划资助项目（20210302124269）；国家自然科学基金（62105302）；国家自然科学基金面上项目（201901D111145）作者简介：徐跃（1998），男，硕士研究生，主要从事光纤传感技术研究。E-mail：xu_通信作者：薛鹏（1991），男，博士研究生，讲师，主要从事光纤传感技术研究。E-mail：第44卷第1期应用光学Vol.44No.12023年1月JournalofAppliedOpticsJan.2023引言表面等离子体共振（SPR）折射率传感器技术是近年来研究的热点之一，通过在光纤表面涂覆某种贵金属纳米颗粒（Au、Ag 等）、石墨烯、金属氧化物等材料来激励 SPR 效应，由于其可检测微小的折射率（refractiveindex,RI）变化，因此在生化领域有重要的应用1-3。在目前已报道的多种类型SPR 折射率传感器中，光纤 SPR 折射率传感器因具有高灵敏、低成本、尺寸紧凑和可远距离监测等优点而备受关注。目前，常见的光纤 SPR 折射率传感器有：腐蚀布拉格光栅 SPR 传感器4、倾斜布拉格光栅 SPR传感器5、长周期光栅 SPR 传感器6、光子晶体光纤 SPR 传感器7、马赫曾德干涉仪 SPR传感器8和微腔结构光纤 SPR 传感器9等。然而，通常用于制造 SPR 传感器的光纤为单模、多模或微结构石英光纤，由于石英材料的质地坚硬、韧性较差，使得制作过程较为复杂且石英光纤易碎，封装工艺复杂昂贵。近年来，由于螺旋形塑料光纤（POF）低温软化易于热定型的特性，与石英光纤传感器相比，POF传感器具有制备工艺简单和测试成本低廉的优势，从而被认为是石英光纤折射率传感器的最具价值的潜在替代品之一。迄今为止，研究人员通过改变支持 SPR 的纳米结构的材料、薄膜厚度、形状、结构、大小、分布、组成和密度来调整光谱的共振波长，研究出多种不同结构的 POF 基 SPR折射率传感器。如 2014 年，N.Cennamo 等人10提出了一种基于等离子体传感器平台的锥形 POF-SPR 折射率传感器，研究了传感探头中锥形部分的存在与否和放置位置对传感特性的影响。2017 年，S.Jiang 等人11提出了一种基于U 形POF 的局部SPR（LSPR）传感器，在 U 形 POF 上沉积一层 Ag 薄膜后，再覆盖一层由聚乙烯醇（PVA）、石墨烯（G）和银纳米颗粒（AgNPs）合成的包覆层，形成 PVA/G/AgNPsAg 薄膜，证明了石墨烯可以提高 LSPR传感器的灵敏度，有效延缓 AgNPs 的氧化过程，从而维持 LSPR 传感器的稳定性。2019 年，Murias 等人12提出一种尖形 POF-SPR 传感器，通过在光纤尖端端面涂有金属层作为传感探头，测量液体折射率及液位的变化；而且，选用热光学系数高的热响应材料覆盖传感区域，还可实现温度测量。2020年，C.Teng 等人13提出了基于侧抛宏弯 POF-SPR折射率传感器，并研究了金属层厚度、抛光深度、宏弯半径和抛光角度等结构参数对传感性能的影响，通过优化结构参数，提高了传感灵敏度。同年，Y.Hu 等人14提出了一种窄沟槽结构的 POF-SPR折射率传感器，在整个光纤表面溅射了一层金膜，并研究沟槽间距对折射率响应的影响。本课题组选用成本低廉的商用塑料光纤作为原材料制备螺旋形 POF，该结构类似于螺旋形的长周期光栅（LPG），其在制备成为探测稳定性更好，灵敏度更高的波长调制型 SPR 折射率传感器方面具有巨大潜力。为此，本文通过对螺旋形 POF 区域蒸镀一层 Ag 膜，将其制备成螺旋形 POF-SPR 传感器，并针对修饰光纤结构参数来提升折射率传感特性展开了相关研究。1 螺旋形 POF-SPR 折射率传感器的制备及传感原理1.1 螺旋形 POF-SPR 探头的制备本文采用商业多模 POF（CK-40,SuperEska）制备螺旋形 POF-SPR 传感探头。POF 的纤芯材料为聚甲基丙烯酸甲酯聚合物（polymethylmethacrylate,PMMA），直径为 980m，折射率为 1.492，包层材料为氟化聚合物，厚度为 10m，折射率为 1.40215。螺旋形 POF-SPR 传感探头制作过程如图 1 所示。首先将一对表面光滑的金属模具固定在虎钳（OZO,QGG）的钳口中，将 POF 夹在 2 个金属模具之间，通过旋拧虎钳将其夹紧，如图 1（a）所示。为了使 POF 在一定应力下更容易形变，将夹有 POF的虎钳放在恒温加热平台（ET-200,ETOOL,温度范围 20350）上，设定平台温度为 150，连续加热虎钳约 10min。然后旋转虎钳按压光纤，持续几秒钟后，松开虎钳，取出光纤，此时圆柱形 POFDdLLp(a)扁平形POF制备(b)扁平形POF结构示意图(c)螺旋形POF制备(d)螺旋形POF结构示意图应用光学2023，44（1）徐跃，等：螺旋形塑料光纤表面等离子体共振折射率传感器227在力的作用下形变成扁平形，其结构如图 1（b）所示，L 为扁平形 POF 的长度，d 为厚度，D 为直径。接下来，采用扭曲法将扁平形 POF 制备成螺旋形，如图 1（c）所示。使用光纤夹具将扁平形 POF 两端夹紧，并将其置于图 1（a）中恒温加热台（温度控制在 120）上方 1mm2mm 处，待光纤稍微软化后，将扁平状 POF 的两端朝相反方向同时扭转一定的角度，大约持续 10s 后，远离热源并保持这种状态约 1min，使光纤自然冷却到室温。操作结束以后，即可形成图 1（d）所示传感长度 L，螺距为p 的螺旋形 POF。如图 1（e）所示，为了激励 SPR 效应，采用磁控溅射蒸镀的方法在螺旋形 POF 表面沉积一定厚度的金属薄膜，最终得到的如图 1（f）所示螺旋形 POF-SPR传感探头。图 2 为不同螺纹数螺旋形 POF-SPR 探头照片。1.2 螺旋形 POF-SPR 传感器的基本原理螺旋形 POF 结构类似于具有周期性螺旋状的长周期光栅（helicallongperiodgrating,HLPG）16。在1991 年，C.D.Poole 等人17首次提出这种新型LPG光子器件，可将低阶纤芯模转为高阶纤芯模、包层模和辐射模，有效增强了其表面的消逝场强度。螺旋形 POF 结构如图 1(d)所示，螺距 p 即螺旋形 POF 的周期 g，它可以通过以下公式计算：g=LN（1）式中：L 是 POF 扭转部分的长度；N 是扭转光纤的圈数（螺纹数）。由此可知，螺旋形 POF 的周期可以通过调整 POF 被扭转的圈数或被加热的长度来调整。该结构 POF 相位匹配公式满足：(m)=(neffconeffcl,m)（2）neffconeffcl,m式中：(m)为谐振波长；为螺旋形 POF 的周期；、分别为纤芯模和包层模