基于双侧抛结构塑料光纤的表面等离子体共振传感特性研究

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折射率(refractive index,RI)测量在医疗诊断、环境监测和食品安全等诸多领域里发挥着举足轻重的作用。表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)现象对电介质与金属界面处的较小RI变化异常敏感,因此该现象常被用于折射率传感。光纤SPR技术由于其抗干扰强、无需标记、实时监测、高灵敏度、响应迅速的特点被广泛研究。目前大多数光纤SPR传感器是采用石英光纤,但由于石英材质特点,其器件加工过程时间较长且极易损坏。相比而言,塑料光纤(plastic optical fiber,POF)则具有较好的韧性,质地比较柔软,并且易于加工。本文利用塑料光纤,提出并制备了双侧抛结构SPR传感探头,分别实现了增强型和双参量测量型SPR传感器件。论文的主要研究内容如下:采用双侧抛结构塑料光纤实现了增强型的SPR传感器。该传感器是通过沿光纤轴对称侧抛塑料光纤的两侧,并且在两侧抛区域分别沉积一层纳米金膜而获得的。SPR可以在分别在两个侧抛镀膜区域上激发,这种结构可以在同等光纤器件长度下增加SPR的激发次数,从而可以获得增强的SPR效应。实验结果表明,相比于单侧抛结构塑料光纤器件,双侧抛结构SPR器件可以获得较好的光谱对比度和半高全宽(full width at half maximum,FWHM),特别是在高折射率的情况下,其仍可保持较好的SPR光谱特征,并具有较高的品质因数(figures of merit,FOM)。当测量的液体RI为1.42,双侧抛深度为200μm,侧抛区域长度为10mm时,双侧抛塑料光纤的SPR传感器灵敏度可达4284.8 nm/RIU。研究了基于双侧抛结构塑料光纤的双参量型SPR传感器。在双侧抛增强型探针的基础上,通过在其中一个侧抛镀膜表面涂敷聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)层,可以在透射光谱中获得另外一个SPR传感通道,利用PDMS的高热光系数这一特征,可以实现温度的测量。当RI和温度发生变化时,两个共振峰会分别发生变化,通过监测两个共振峰的波长偏移,可以同时测量RI和温度。实验结果表明,该传感器在1.335-1.37的RI范围内具有1174 nm/RIU的RI灵敏度,当温度范围在30℃-80℃时,温度灵敏度为-0.7 nm/℃。此外,结果表明,该传感器的两个传感通道之间的串扰可以忽略不计。
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