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基于光学异常透射现象的光纤传感器的设计与研究

更新时间：2019-12-27 08:08:33 大小：1M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：光纤传感器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

基于光学异常透射现象的光纤传感器,因其具有高度的近场增强效应和介电环境的高度敏感性等优点,在化学、生物医学等领域有广泛的应用前景。但是由于在光纤端面加工周期纳米结构需要复杂的工艺或者昂贵的微加工仪器,限制了基于光学异常透射现象的光纤传感器的发展。针对这一问题,提出了模板转移法在光纤端面加工金属周期纳米结构,并搭建实验系统对应用该方法制作的光纤传感器的传感特性及其物理机理进行了研究。实验结果表明,模板转移法能够很好地完成在光纤端面加工高质量的周期金属纳米结构。应用该方法制作的光纤传感器具有很好的传感特性,传感器的最高灵敏度达到594.45nm·RIU-1,品质因数值达到33.12。


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，
第
，
，
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．３ ６８１６８４  
ｐｐ  
第
卷
３８  
ꢀ
期
３
光
谱
学
与
光
谱
分
析
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
－
，
Ｍａｒｃｈ ２０１８  
ꢀ
年
月
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ  
ｐｙ  
２０１８  
ꢀꢀꢀ  
３
ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
基于光学异常透射现象的光纤传感器的设计与研究  
＊
， ， ， ， ， ， ，  
苑婷婷 黄 鹏 李涵阳 商艳婷 杨兴华 张 扬 李寒阳 赵恩铭  
ꢀ
ꢀ
，
哈尔滨工程大学理学院 黑龙江 哈尔滨  
１５０００１  
ꢀ
，
基于光学异常透射现象的光纤传感器 因其具有高度的近场增强效应和介电环境的高度敏感性等  
ꢀ
摘
要
ꢀ
， 、 。  
优点 在化学 生物医学等领域有广泛的应用前景 但是由于在光纤端面加工周期纳米结构需要复杂的工艺  
， 。 ，  
或者昂贵的微加工仪器 限制了基于光学异常透射现象的光纤传感器的发展 针对这一问题 提出了模板转  
，
移法在光纤端面加工金属周期纳米结构 并搭建实验系统对应用该方法制作的光纤传感器的传感特性及其  
。 ，  
物理机理进行了研究 实验结果表明 模板转移法能够很好地完成在光纤端面加工高质量的周期金属纳米  
－１  
。 ，  
结构 应用该方法制作的光纤传感器具有很好的传感特性 传感器的最高灵敏度达到  
·
５９４．４５ｎｍ ＲＩＵ  
，
。
３３．１２  
品质因数值达到  
； ； ；  
关键词 光学异常透射 光纤传感器 金属周期纳米结构 模板转移法  
ꢀ
：
：
文献标识码  
Ａ
：
／
（
）
中图分类号  
ＴＨ８９  
ꢀꢀ  
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１８０３０６８１０４  
ꢀꢀꢀ  
ｊ
－
－
－
［］  
７
、
聚焦离子  
，
为了实现上述光纤传感器的制作 电子束刻蚀  
［，  
８ １  
］
０
、
［
］
１
、
［ ］  
１２  
１
、
模板制  
束刻蚀  
纳米压印技术  
纳米微切削技术  
引
言
ꢀ
［］  
９
作纳米结构结 合 平 版 印 刷 技 术 等 纳 米 加 工 方 法 被 广 泛 应  
［］  
１
，
４
（／ ）  
ｄ
， ， 。  
然而 这些加工方法都存在少许不足 电子束刻蚀  
、
聚
经典的小孔透射理论认为  
小孔的光透射率与  
用
ꢀꢀ  
λ
（
成正比例关系 其中 是小孔直径  
ｄ
，
λ
）。 ，  
因此  
是入射光波长  
焦离子束刻蚀和纳米压印技术需要昂贵且生产率很低的纳米  
，
当入射光波长 大 于 小 孔 的 直 径 时 小 孔 的 光 透 射 率 将 非 常  
。
加工仪器 纳米微切削技术由于机械切削力的引入容易产生  
。 ，  
然而 法国学者  
，
年发现 当光照射在周  
。 ，  
纳米结构的缺陷 模板制作纳米结构结合平版印刷技术 因  
低
在
Ｅｂｂｅｓｅｎ １９８８  
，
期金属纳米孔时 特定波长光的透射率比经典小孔透射理论  
，
为采用范德华引力把金属纳米结构固定在光纤端面上 在恶  
［］  
２
。
。 ，  
劣的检测环境中容易发生纳米结构脱落的问题 因此 如何  
的预测值高若干个数量级  
周期金属纳米结构对光的透射  
，
起到了积极的促进作用 这种现象后来被人们定义为光学异  
方便快捷的在光纤端加工金属纳米结构是当前研究者急需要  
（
，
ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒ ｏｔｉｃａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ＥＯＴ  
ｙ ｐ  
） 。  
现象 当发  
。
常透射  
解决的问题  
ꢀ
ꢀ
，
现象时 周期金属纳米结构具有高度的近场增强效  
生
本工作应用模板转移法制作基于光学异常透射现象的光  
ＥＯＴ  
［
］
２
。
１
、
、
应
超衍射极限 的 光 场 局 域 性 以 及 对 介 电 环 境 的 高 度 敏 感  
纤传感器  
保证了高质量 大面积地在基体上制作周期纳  
。 ，  
因此 基于周期金属纳米结构的传感器在高分辨率生化  
，
米结构 很 好 地 解 决 了 其 他 转 移 方 法 容 易 使 金 膜 产 生 褶  
性
［］  
３
、
［
］
４５  
和光谱电化学 等领域 有 重 要 的  
［］  
［
］
３
、
［］  
９
６
１
－
。 ，  
此外 还对制作完  
检测  
纳米光学器件  
皱
纳米结构容易脱离基体的问题  
。
潜在应用  
基于周期金属纳米结构的光纤传感器由于其尺寸小  
，
成的光纤传感器的传感特性及其物理机理进行了研究 通过  
、
重
，
溶液进行在线监测 验证了  
ＮａＣｌ  
对去离子水和不同浓度的  
、 、  
量轻 操作灵活 具有很强的抗电磁干扰能力等优点成为当  
，
该方法制作完成的光纤传感器具有很好的传感特性 为基于  
。
前研究的热点 目前已经成功研制出多种基于金属纳米结构  
。
现象的光纤传感器实用化奠定了良好的基础  
ＥＯＴ  
［］  
７
，
，
如
的光纤传感 器  
等 制 作 的 偏 振 无 关 光 纤 传 感 器  
Ｆｅｎ  
ｇ
［］  
８
现 象 的 反 射 式 光 纤 探 针 以 及 由  
ＥＯＴ  
等提出 的 基 于  
Ｌａｎ  
基于光学异常透射现象的光纤传感器的制备  
１
ꢀ
（
等设 计 的 用 于 探 测 表 面 增 强 拉 曼 散 射  
Ｓｍ ｔｈｅ  
ｙ
ｓｕｒｆａｃｅｅｎ  
－ －  
［］  
９
。
，
）
效 应 的 双 向 光 纤 传 感 器  
ｈａｎｃｅｄＲａｍａｎｓｃａｔｔｅｒｉｎ ＳＥＲＳ  
应用模板转移法制作基于光学异常透射现象的光纤传感  
ꢀ
ꢀ
ꢀꢀ  
：
，
：
修订日期  
２０１７０９１６  
收稿日期  
２０１７０５２５  
－ －  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
－
：
（
，
，
，
）
资助  
６１３７７０８５ １１５７４０６１ ６１６０５０３１ ６１４０５０４３  
基金项目 国家自然科学基金项目  
：
，
女
，
１９９０  
，
年生 哈尔滨工程大学理学院博士研究生  
：
ｅｍａｉｌ ｕａｎｔｉｎｔｉｎ ｈｒｂｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ  
ｙ
作者简介 苑婷婷  
ꢀꢀ  
－
ｇ ｇ＠  
：
ｅｍａｉｌ ｚｈａｏｅｍ１６３ １６３．ｃｏｍ  
－
通讯联系人  
＊
ꢀꢀ  
＠
光谱学与光谱分析  
第
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
卷
３８  
６８２  
（）  
。 ，  
所示 首先 采用电子束真空蒸镀技  
（
）
作 为 实 验 光  
ＨＬ２０００ＨＰ  
器的制作过程如图  
之 间 的 高 功 率 钨 卤 灯  
１ａ  
２４００ｎｍ  
ꢀ
－
－
、
。 ，  
源 光源产生的入射光直接注入到多模光纤的纤芯中 在光  
术把金元素沉积在具有周期  
有效孔径  
的六  
７００ｎｍ  
２００ｎｍ  
，
边形周期纳米结构的硅基模板上 形成具有周期纳米孔洞的  
，
纤另一端照射到带有周期纳米孔的金膜上 透射光经另一根  
纤芯直 径 的 多 模 光 纤 收 集 并 直 接 接 入 光 谱 仪  
１００ ｍ  
μ
。
金膜 制作完成厚度为  
的金膜的扫描电镜检测结果  
１００ｎｍ  
ＴＭ  
， ）。  
（）  
所示 与相同晶格常数的正方形纳米孔相比 六边  
１ｃ  
。
，
（
，
实 验 中 精 密 可 编 程 注 射 泵  
如图  
ＡＱ６３７０Ｃ Ｙｏｋｏｋａｗａ  
［
］
４
，
１
ＴＭ  
（
，
）
把被测样品注入到由硅胶聚二  
ｐ
形纳米孔能够很 好 地 消 除 共 振 串 扰  
因 此 实 验 中 金 膜 上  
ＬＳＰ０１１Ａ ＬｏｎｅｒＰｕｍ  
－
ｇ
。
的纳米结构选用六边形周期纳米孔 为了增加金膜与光纤端  
（
）
制作的微流池中 样品与传感面紧密接  
ＰＤＭＳ  
，
甲基硅氧烷  
，
面结合的稳定性 选用高透光度的热固化环氧树脂胶  
（
Ｅ ｏｘ  
ｐ ｙ  
， 。  
然后经微流通道流入废液池 微流池侧壁上的圆孔起到  
触
，
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ Ｉｎｃ． ３０１２ＦＬＣＸ  
－
）
作为金膜与光纤端 面 的 黏 附  
固定光纤探针和收光光纤且保证它们在空间位置上同轴的作  
ｇｙ  
－
ꢀ
。
。
层
把纤芯直径  
的多模光纤插入到  
型光纤连接器  
ＦＣ  
用
１００ ｍ  
μ
，
中
在光纤连接器的端面上滴少量的热固化环氧树脂胶并对  
。 ，  
其加热 当环氧树脂胶呈粘稠状时停止加热 调节模板与光  
， 、  
纤连接器端面之间的距离 保证光纤端面 环氧树脂胶和金  
，
膜紧密接触 然后再对环氧树脂胶加热直到其完全固化  
。
制
（）  
所示  
１ｂ  
。
作完成的光纤传感器如图  
图
实验装置图  
２
ꢀ
Ｆｉ．２ Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｄｉａｒａｍｏｆｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕ  
ꢀ ꢀ  
ｐ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｇ
ｐ
结果与讨论  
３
ꢀ
图
是光纤传感器在去离子水中实验测得的透射光谱归  
３
ꢀꢀ  
一化曲线和应用  
有限元仿真软件计算得  
ＣｏｍｓｏｌＭｕｌｔｉｈｓｉｃｓ  
ｐｙ  
。 ，  
到透射光谱归一化曲线 从图 可以看出 无论在实验曲线  
３
，
且
还是仿真曲线中透射光谱里都出现了多个明显的透射峰  
所有透射峰无论是波形还是位置在实验曲线和仿真曲线中匹  
。 ，  
配的都非常好 与仿真曲线的透射峰相比较 实验曲线中透  
，
射峰的光谱线宽有轻微的展宽 这是由于在多模光纤中有多  
，
个模式同时传播 引起光线照射到光纤端面的金膜时存在多  
［
］
５
。
１
，
个入射角度 进而在实验曲线中产生透射峰光谱线展宽  
，
附近的透射峰是金膜的特征峰 是金属  
共振波长在  
５００ｎｍ  
中的自由电子在 能级和导带的费米能级之间产生电子跃迁  
ｄ
（）  
基于金属周期纳米孔的光纤传感器制备过程的原  
ａ
图
１
ꢀ
；（）  
制作完成的 光 纤 传 感 器 照 片  
ｂ
；（）  
带 有 六 边  
ｃ
理图  
形周期纳米孔金膜的扫描电镜图  
（）  
Ｆｉ．１ ａ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｆｉｂｅｒｏ  
ꢀ －  
ｐ
ꢀ
ꢀꢀ ꢀ ꢀꢀ ꢀ  
ꢀ
ｇ
ｐ
；（）  
ｔｉｃｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈＡｕｎａｎｏｈｏｌｅａｒｒａ ｂ Ｐｈｏｔｏｒａｈｓｏｆ  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ ꢀ  
ꢀ
ｇ ｐ  
ｙ
；
ｆｉｂｅｒｏｔｉｃｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈＡｕｎａｎｏｈｏｌｅａｒｒａ ｏｎｔｈｅｔｉｓ  
ꢀ ꢀ  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ ꢀ  
ｙ ｐ  
ꢀ
ｐ
（）  
ｃ ＳＥＭｉｍａｅｓｏｆｔｈｅＡｕｈｅｘａｏｎａｌｎａｎｏｈｏｌｅａｒｒａ ｏｎ  
ꢀ
ꢀ
ꢀꢀ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ｇ
ｇ
ｙ
ꢀ
ｔｈｅｆｉｂｅｒｔｉｓ  
ꢀ
ｐ
ꢀ
图
基于金属周期纳米孔的光纤传感器  
３
ꢀ
实验部分  
２
ꢀ
在水中的测试数据和仿真结果  
Ｆｉ．３ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｅｃｔｒａｏｆｆｉｂｅｒｏｔｉｃ ｒｏｂｅ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐ ｐ  
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｐ
应用光纤传感器对被测样品进行在线监测的实验装置如  
ꢀꢀ  
ｗｉｔｈ Ａｕｎａｎｏｈｏｌｅａｒｒａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄｉｎ ｗａｔｅｒａｎｄｉｔｓ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ｙ
。
所示 选择  
图
公司生产的工作波长在  
ＯｃｅａｎＯ ｔｉｃｓ ３６０  
ꢀｐ  
２
～
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  

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