表面等离子体共振现象(surface plasmon resonance,SPR)是光与金属相互作用的结果,是金属表面的一种光学现象^[1]。SPR传感技术因其灵敏度高、待测物无需纯化、可实现免标记、实时和无损伤检测等独特优点,在临床诊断、生化制药及环境检测等方面有广泛的应用前景^{[2, 3, 4]}。影响SPR现象的因素有很多,除了金属敏感膜的厚度和入射光的角度外,光纤纤芯和待测介质折射率也是重要的影响因素。通过研究光纤纤芯和待测介质折射率对表面等离子体共振反射光谱的影响及其变化规律,可进一步提高传感器的灵敏度和检测精度,从而有效地优化传感器,达到精确测量的目的^{[5, 6]}。

光纤表面等离子体共振传感器由纤芯、敏感膜和环境介质三层基本结构组成。当光波从折射率大的介质入射到折射率小的介质中时,在两种介质交界面上同时发生反射和折射现象;当入射角超过临界角时,将在交界面发生全反射现象。而在纤芯与金属膜的界面上,会有一小部分光透入到金属敏感膜一定深度处并呈指数衰减,这部分光波被称作倏逝波。其波矢量界面上的分量为:

许多光纤纤芯的折射率是随波长的不同而变化的。本文设置纤芯材质为石英玻璃,而石英玻璃的折射率是随入射波长的变化而变化的^{[8, 9]}。其折射率表达式为:

表 1(Table 1">Table 1)

表 1 Sellmeier系数 Tab. 1 Sellmeier coefficients A1 A2 A3 A4 A5 A6 0.696 166 3 0.004 679 2 0.407 942 6 0.013 512 1 0.897 479 4 97.934 003 0

表 1 Sellmeier系数 Tab. 1 Sellmeier coefficients

目前实验中的金属敏感膜大多采用金膜和银膜,因为它们有较高的折射率,而且随波长的变化改变的幅度较小。又由于银膜的共振深度大于金膜,共振峰宽度明显窄于金膜,灵敏度高于金膜,所以本仿真选用银膜为金属敏感膜^[10]。

金属敏感膜的厚度是影响表面等离子体共振传感器灵敏度的一个主要因素,金属膜的厚度对反射光谱的形状有很大的影响。图 1是入射角为79°,待测介质折射率为1.3时,金属膜厚度从40 nm变化到60 nm 时的反射光谱。当Ag膜从40 nm变化到50 nm时,共振峰的位置逐渐加深;从50 nm变化到60 nm时,共振峰的位置逐渐变浅。所以,在Ag膜厚度为50 nm时,共振效果最明显。图 2是入射角为79°,折射率为1.35时,金属膜厚度从45 nm变化到65 nm时的反射光谱。当Ag膜厚度从45 nm变化到55 nm时,共振峰的位置逐渐加深;从55 nm变化到65 nm时,共振峰的位置逐渐变浅。所以,在Ag膜厚度为55 nm时,共振效果最明显。根据两图可以分析出,随着Ag膜厚度的不断增加,共振峰的位置先加深后逐渐变浅,在共振峰位置最深时是观察到的现象最明显的时刻。可见,Ag膜的厚度过薄或过厚都不利于激发表面等离子体共振现象。当待测介质折射率为1.3和1.35,Ag膜厚度为50 nm和55 nm时,共振峰深度相差不大,共振效果都很明显。

图 1

Fig. 1

图 1 折射率1.3不同厚度Ag膜光纤SPR传感器的仿真光谱图 Fig. 1 When the refractive index 1.3,the different thickness of Ag film optical fiber SPR sensor simulation spectra

图 2

Fig. 2

图 2 折射率1.35不同厚度Ag膜光纤SPR传感器的仿真光谱图 Fig. 2 When the refractive index 1.35,the different thickness of Ag film optical fiber SPR sensor simulation spectra

图 3所示是待测介质折射率从1.2变化到1.37时，最佳膜厚随待测介质折射率变化的曲线图。当待测介质的折射率从1.2增大到1.37时,金属敏感膜的最佳膜厚从42 nm增大到55 nm,但待测介质折射率在这段范围内,Ag膜最佳厚度大部分集中在50 nm到55 nm之间。所以,本仿真选用的Ag膜厚度为55 nm。

图 3

Fig. 3

图 3 折射率为1.2到1.37最佳膜厚的变化曲线 Fig. 3 The change of the refractive index of 1.2 to 1.37 best film thickness curve

图 4所示是Ag膜厚度为55 nm,入射角度为79°时,不同折射率介质的SPR光谱仿真图。从图中可以看出,当待测介质折射率从1.37减小到1.2时,谐振波长与待测介质折射率之间反射光谱逐渐向坐标左侧移动,且变化的幅度逐渐减小。说明谐振波长随待测介质折射率的减小而减小,当待测介质折射率小于1.2时,谐振波长很小,将进入紫外范围。共振峰深度变浅是由于金属膜厚度为55 nm，不是该待测介质折射率时的最佳金属膜厚度。

图 4

Fig. 4

图 4 当Ag膜厚度为55 nm时,不同折射率介质的SPR光谱仿真图 Fig. 4 When the Ag film thickness is 55 nm,SPR spectrum simulation of different refractive index medium

图 5所示是为谐振波长随待测介质折射率变化的曲线。当待测介质折射率从1.37减小到1.2时,谐振波长的范围从724 nm减小到420 nm,但减小的幅度越来越小。若待测介质折射率继续减小,谐振波长将进入紫外范围,十分不利于测量。所以,若想测量待测介质折射率较小的物质,需要适当改变金属膜的厚度和入射角的角度,使谐振波长在有利于测量的范围之内。

图 5

Fig. 5

图 5 不同折射率时波长的变化曲线 Fig. 5 Different wavelength when the refractive index change curve

本文采用TFCalc软件仿真,研究了光纤表面等离子体共振传感器待测介质折射率一定时的最佳金属膜厚度,以及待测介质折射率变化对其反射光谱的影响。结果表明,在入射光角度不变的情况下,表面等离子体共振的最佳膜厚随待测介质折射率的减小而减小;在共振的最佳膜厚时,表面等离子体共振的谐振波长随待测介质折射率的减小向短波长范围移动,谐振峰随待测介质折射率的减小,移动的距离也越小且逐渐变窄,传感器的灵敏度逐渐提高;当待测介质折射率小于1.2时,谐振波长将小于400 nm,给传感检测带来极大困难。根据这些特点,在测量时可以选择最佳膜厚和入射波长,提高传感器的检测精度。