文摘

我们回顾应用微观结构和光子带隙光纤的设计谐振光学传感器的分析物的折射率的变化。这个研究课题最近调用关注由于开发新型纤维类型,以及由于技术的发展激活纤维微观结构与功能材料。特别是,我们考虑两个传感器类型。第一个传感器类型采用空心光子能带纤维核心引导模式是局限在通过共振效应分析物填充芯周围的周期性的反射器。第二个传感器类型采用金属化微观结构或光子带隙波导和纤维,在核心引导模式阶段与等离子体传播在纤维/分析物界面。在谐振传感器通常采用纤维与强烈的非均匀谱变化传输特征敏感的实数部分分析物的折射率。此外,如果狭窄的吸收线分析物中透射谱,这也将导致由于Kramers-Kronig关系强变化折射率的实部附近的吸收线。因此,谐振传感器允许微小变化都在检测分析物的折射率的实部(10⁻⁶-10年⁻⁴RIU),以及在分析物折射率的虚部附近的吸收线。下面我们详细各种谐振传感器实现,操作模式,以及敏感性分析一些常见的传导机制对生物和化学传感应用。传感器设计考虑综述跨地区从可见到太赫兹光谱操作。

1。介绍

研发到光纤生物和化学传感器(FOSs)已经取得了很大的进步在过去的十年。这是由于安全系数的吸引人的性质,如免疫电磁干扰,安全在爆炸性环境中,和潜在的提供实时连续的定量和定性分析。化学敏感薄膜沉积在选定地区的光纤可以影响光的传播在这些纤维的存在与否取决于周围环境中的化学分子(1]。广泛的光学传感器已经发展了有选择性的生物分子检测。他们中的大多数有可靠性的问题,因为他们使用非常脆弱的抗体作为传感元素。这些传感器包括高折射率波导(2),表面等离子体共振传感器(3],共振镜[4),和古典光纤传感器(5,6]。大多数光学传感器是基于隐失波传感、扰动的折射率接近传感器是由指数衰减的光学探测的表面波。这些传感器已被证明是高度敏感的检测小目标,如蛋白质和病毒,但是他们遇到困难在检测更大的目标,如细菌(0.5 - 5米),因为在这种情况下更大的渗透的隐失场分析物是必需的(7]。

微结构光纤(mof)和光子带隙(PBG)纤维是财政部的一个子集,承诺一个可行的大规模生产技术的高度集成和智能传感器在一个生产步骤。在标准的全内反射(行动)光纤损耗波传感器纤维聚合物夹克是剥夺了光纤包层是抛光核心为了获得光场之间的重叠和分析物,与传感器灵敏度正比于这样的重叠。与传统的实芯光纤相比,财政部提供的独特优势的传感应用。一个定义功能微结构光纤的空气孔的存在运行沿其整个长度。纤维光学特性然后由大小、形状和孔的相对位置。特别是mof的独特的能力,以适应生物和化学气体或液体形式的样品里面的空气孔附近的纤维芯(8- - - - - -10]。在这种情况下使用MOF同时作为导光管和流体的通道。财政部的独特结构使其成为一个非常有前途的传感平台化学和生物检测。首先,财政部与mirofluidics自然集成光学检测,允许连续在线监测实时危险样品没有暴露人员的危险。此外,样品可以转移封闭MOF optofluidic系统进一步证实分析,例如,聚合酶链反应(pcr)如果需要。这种渠道可以进一步携带biorecognition层可以绑定和逐步积累目标生物分子,从而提高传感器的灵敏度和特异性。第二,财政部孔大小是子- 100年m愤怒,导致很小的流体检测所需样品。第三,基于mof的传感器可以盘绕成长传感细胞(10米),从而大大提高灵敏度。也是不可能达到与传统热红外光纤传感器作为一面抛光步骤限制传感器长度到几厘米。,所需的财政部可以批量生产使用商业纤维画塔在一个非常有效的方式。第五,财政部可以扩大成一个二维数组,小尺寸,适合制作成便携式现场即时设备同步现场检测不同种类的分析物。第六,光子带隙光纤可以直接设计指导光在他们analyte-field空心核(11]。在这种纤维明显强于light-analyte耦合,在短暂的传感器。

在本文中,我们回顾几个MOF和PBG光纤共振光学传感器,由于最近调用浓厚兴趣发展新型纤维类型,以及由于技术发展的激活纤维微观结构和功能材料。在谐振传感器通常采用纤维与强烈的非均匀谱变化传输特征敏感的实数部分分析物的折射率。此外,如果狭窄的吸收线分析物中透射谱,这也将导致由于Kramers-Kronig关系强变化折射率的实部附近的吸收线。因此,谐振传感器检测的微小变化可以在分析物的折射率的实部,以及分析物折射率的虚部附近的吸收线。虽然几乎所有的光纤谐振传感器的工作原理依赖于强大的灵敏度的光纤传输损失的价值分析物折射率,特定biodetection转导机制有所不同。考虑,例如百事装瓶集团中空心光纤的情况下有一个分析物的核心。在一个传感器可以实现品牌目标生物分子与高度吸收粒子的吸收光谱,如金属纳米粒子或量子点。这种粒子的存在水纤维芯可以量化检测外观的吸收线纤维透射谱,或通过共振光纤输电损耗的变化引起的变化在核心折射率的实部。在另一个实现,功能层,结合特定的生物分子可以沉积在中空纤维的内部核心。生物分子绑定事件这样的一层可以发现通过共振光纤输电损耗的变化引起的变化层折射率的实部。

接下来我们将讨论两种类型的共振传感器。一个这样的传感器类型依赖于辐射损失的变化一个漏水的核心模式由于一个分析物的折射率的实部的变化。这样一个漏水的模式通常是限制在一个分析物填充纤维芯包覆共振反射器。“漏模式”一词,通常指的是指导机制,传播模式的有效折射率小于光纤包层。这种不寻常的模式被称为漏水的模式,在波导核心之外,他们没有表现出传统损耗衰减到包层,而是慢慢辐射到包层(泄漏)。与共同行动的纤维,漏水的模式在PBG纤维微观结构的能带隙反射器的限制。特定分析物的折射率值几何这种纤维的选择提供强大的光学囚禁的漏水的核心模式。谐振传感器上面描述的一个例子是一个光子带隙光纤有一个中空的核心分析物。当改变一个分析物的折射率的实部,模式的谐振条件约束将会改变,导致强烈的模态辐射损失(参见图的变化1(一))。检测的传播强度的变化可以重新解释的实部分析物的折射率的变化。有趣的是,同样的传感器也可用于标准nonresonant审讯方式的检测分析物折射率的虚部的变化(分析物的吸收),见图1 (b)。即使在nonresonant政权,百事装瓶集团中空心光纤传感器的灵敏度,通常,优于传统的热红外光纤传感器由于大大提高模态与分析物重叠。

第二传感器类型考虑综述附近的操作之间的波长相匹配Gaussian-like core-guided-mode和其他一些(高阶)模式显示其传播特性的高灵敏度的变化被分析物的折射率的实部的人物1 (b)。例如,通过激活纤维表面有薄金属层,以一个特定的共振波长可以诱导强烈的光损失core-guided-mode由于耦合吸收等离子体模式传播在金属/分析物界面。作为等离子体模式在很大程度上是离域分析物地区之间的波长相匹配的两种模式会非常敏感的价值分析物折射率的实部。

2。Absorption-Based传感器检测策略

我们现在关于amplitude-based提醒读者一些一般性的事实和spectral-based检测方法。特别是,我们专注于光纤传感器,依靠检测透射光强度变化的目标分析物的存在。

amplitude-based检测方法在一个运行在一个固定的波长和记录信号的振幅的变化,然后重新解释的分析物的折射率的变化。描述长度光纤传感器的灵敏度雇佣了一个振幅灵敏度函数,这是定义为一个相对强度的变化透射光的小被测变量的变化。请注意,可以是任何参数,影响传输光纤传感器的性能。这包括吸收粒子浓度的分析物,•比奥雷的绯闻的厚度,可以改变由于捕获特定的生物分子,以及分析物折射率的实部或虚部。然后定义为振幅的敏感性 表示,在一个固定的光纤传输损耗值被测变量,在光纤输出光强度可以写成: 在哪里启动光强度成纤维。用(2)(1),振幅灵敏度函数可以表示为: 如下(3),传感器灵敏度传感器长度成正比。反过来,如下所示(2),最大传感器长度是有限的吸收损失纤维。定义是检测极限的力量,仍然可以可靠地检测到光强度的变化,所允许的最大传感器长度可以计算出功率检测极限(2), 定义,最大灵敏度所允许检出限可以编写使用(3), 所有的模拟,我们假设,它允许我们描述一个固有灵敏度的传感器系统,而将它从功率预算的问题,可能会带来额外的敏感性增强。最后,鉴于传感器振幅敏感性,估计被测变量的传感器分辨率,一个可以使用表达式(1)。假设最小可检测信号振幅的相对变化(这是通常的如果没有使用先进的电子产品),然后被测变量的最小值,可以探测到这样的传感器 另一个流行的传感方法是spectral-based。它使用位移谱奇异点的检测被测变量的存在对他们的位置被测变量的零水平。这种传感方法特别有效的谐振传感器配置特性急剧传播或吸收光谱的峰值。定义峰值的位置在一个传感器透射谱作为被测变量值的函数光谱灵敏度函数可以定义为 鉴于传感器光谱灵敏度,估计被测变量的传感器分辨率,一个可以使用表达式(7)。因此,假设最小可检测的谱峰位置的变化(这是通常的在可见光谱范围内如果没有使用先进的光学检测),然后被测变量的最小值,可以探测到这样的传感器

3所示。使用Analyte-Filled传感中空心光子能带纤维

我们现在描述第一个谐振传感器类型基于空心光子能带纤维分析物。在他们crossection PBG纤维可以包含周期序列微米大小的不同材料层(11,12)(图2(一个)),定期安排微米大小的孔隙(13- - - - - -15)(图2 (b)),或环的孔nanosupports [16,17)(图2 (c))。百事装瓶集团目前在石英玻璃纤维、聚合物和专业软玻璃实现。这种纤维的关键功能是空心导光的能力直接或与折射率小于液体核周围的折射率包层材料。百事装瓶集团与显微组织纤维,纤维限制光在空心核通过光子带隙效应,而不是全内反射。实际上,定义了带隙作为增强纤维传输的频率区域,他们的相消干涉的结果core-guided光fiber-microstructured覆层内部。当发射光谱百事装瓶集团广泛的光成纤维,只有谱组件遵循纤维带隙将达到纤维,尽管不是所有谱组件位于附近的带隙将辐照光纤耦合。此外,即使没有纤维材料损失,core-guided-modes总是表现出辐射损失。这是一个直接后果的指导核心与包层的折射率小于。我们很快就会看到,核心模式辐射损失的值可以非常敏感材料的折射率的实部填充纤维芯,可用于传感器的应用。最后,使纤维倾向于提高引导光的光束质量,同时有效地限制的单模传播很远的距离。 This is a consequence of the fact that radiation losses (and, generally, absorption losses too) of the core-guided-modes of a PBG fiber are strongly differentiated with only a few low-order modes having small propagation losses. Thus, when exciting several modes at the fiber input end, only the modes having the lowest losses will survive till the fiber end. For historical reference we mention that before the invention of the all-dielectric PBG fibers, guidance in the hollow core fibers has been demonstrated in the context of metal coated capillaries [18,19]。

我们现在提供的细节的一些优势为传感应用中空心PBG纤维。必须区分两种操作模式的传感器。首先,是传感分析物折射率的虚部的变化(分析物吸收)通过检测狭窄的吸收带的存在和力量的纤维透射谱。这是最简单的,nonresonant百事装瓶集团空心光纤传感的应用中,一只利用大的重叠core-guided漏水的模式与分析物。在这种传感器,信号强度由于分析物的吸收,以及传感器灵敏度直接与传感器的长度成正比。最近,几个实验实现的absorption-based传感器已经证明(10,20.- - - - - -23]。百事装瓶集团第二操作方式的光纤传感器是传感的变化被分析物的折射率的实部的检测光纤的能带位置的变化。将在下面解释,这种传感器在共振政权与传感器的灵敏度,很大程度上是独立的长度。

3.1。Nonresonant传感

经典的微扰理论考虑(24)预测,指导模式的有效折射率的变化与折射率的变化分析物的浸润纤维,通过重叠因素定义为 在哪里是纤维的横向电磁场模式,在吗电场是一个完整的模式。严格地说,表达式(9)只有真正有效引导平方可积模式的全内反射(行动)纤维。百事装瓶集团的空心纤维漏水的模式,一般来说,nonsquare可积(25]。然而,在这种情况下,表达式(9但只是近似地)仍然可以使用。特别是,为了避免分歧在分母上的(9),只有一个执行集成在有限纤维crossection限于多层反射器之间的接口和包层。百事装瓶集团中空心纤维,详细的模拟显示,通常是大于0.9。重叠的价值迅速增加,当纤维芯尺寸增加,达到价值甚至高于0.99核心大小适度。这样一个高价值的重叠因素是解释为高约束指导模式的纤维芯(见,例如,能量通量分布的core-guided-mode图的插图1(一))。

表达式(9)是基本的分析nonresonant absorption-based传感器。考虑,例如,一个组织或一个充满水溶液中空心纤维。一个可能的生物传感器实现利用这种纤维可以,例如,监控业务和特定的生物分子标记高度吸收纳米颗粒的浓度。在这样一个传感器水溶液中生物分子清除通过纤维微观结构。定义浓度(被测变量;在(1))的吸收粒子与分析物混合,并假设纳米颗粒浓度的单位体积吸收,而纤维损失没有纳米颗粒纤维损失总额,然后吸收纳米颗粒的存在可以编写使用(9), 在推导(10我们使用这一事实,。用(10)(5),我们现在发现最大nonresonant传感器灵敏度的表达式了纳米颗粒浓度的变化: 请注意,由于纳米颗粒的吸收是完全独立于纤维损失呢没有纳米颗粒,灵敏度(11nonresonant传感器),因此,直接与纤维长度成正比。因此,提高传感器灵敏度有简单地处理长纤维具有低传输损耗。

3.2。共振传感

请注意,表达式(9百事装瓶集团),当应用于纤维、不占光谱转变PBG纤维能带(见图1(一))由于变化分析物的折射率的实部填充纤维核心。事实上,并用PBG纤维代替(9)必须使用以下修改表达式: 在这里,是一个辐射因素描述光子能带的辐射损失的变化引导模式由于光谱变化引起光纤的能带变化分析物的折射率的实部填充纤维核心。

了解辐射损失的贡献(12)一个有回忆的设计和操作的原则并用PBG纤维。作为一个例子,考虑一个空心布拉格芯塑料纤维以水满核心(折射率布喇格反射器(图)包围3(一个))由一个周期序列的两个光折射率不同的材料假定纯粹真实的(11,26]。我们现在设计布喇格反射器特性基本能带在可见。反射器层厚度必须选择一个非常具体的方式保证引导的相消干涉光周期光纤包层,因此有效的模态监禁在纤维中空心。特别是,通过选择反射器层厚度来满足四分之一波长条件: 保证一个基本能带布喇格反射器的设计集中在附近,波长(25]。

我们现在考虑的特定实现布喇格光纤半径的核心6层反射器包围,和的层厚度(13),。在图2 (b)在厚坚实的曲线,我们现在基本Gaussian-like的传播损耗布拉格纤维的核心模式。事实上,模式中扮演着重要角色的操作大部分基于空气传感器,因为它是最简单的模式与外部Gaussian-like激发激光源。虽然总传播损耗是一笔模态辐射和吸收损失,这个特殊的纤维是在辐射主导政权运营;相比之下,大部分吸收损失的水呈现在图3 (b)在细实线。我们注意到模态传播损耗达到最小在光子带隙的中心0.46,而对带隙的边缘迅速增加。当改变分析物的折射率的实部填充纤维芯,共振条件(13)不再满足,从而导致光谱位移光纤的能带(粗虚线图3 (b))。因此,即使对于小型分析物的折射率的变化,由于光谱反射能带隙的位置的变化,光纤传输损耗可以大幅改变。此外,由于谐振特性能带指导,能带变化由于分析物的折射率的实部的变化能有大幅提高的效果的传播损失core-guided-mode比分析物的吸收系数的变化。特别是在(13)一个可以计算操作的波长,,而。因此,改变在分析物吸收系数(),或改变的在现实分析物的折射率,导致相同的模态传播损耗的变化。

我们现在调查振幅和光谱敏感性百事装瓶集团的空心光纤传感器。在图3 (c)我们现在的振幅敏感性(5)的布喇格光纤传感器的变化被分析物的折射率的实部。注意,灵敏度变化强烈的波长的函数操作,对能带边缘迅速增加。在附近的能带和设计波长,振幅的敏感性。假设透射光的振幅的变化能够可靠地检测到,这导致传感器的分辨率。最后,在带隙中心的附近总纤维损失0.7,因此定义最大长度传感器的顺序6。

以类似的方式,光谱灵敏度可以定义使用(7)通过检测光谱转变隙中心波长的光纤最低损失)导致光谱灵敏度 。假设光谱转变隙中心能够可靠地检测到的位置,这将导致传感器的分辨率,这是与该决议通过振幅的方法。

有趣的是,最大的灵敏度共振并用PBG光纤传感器不强烈依赖于纤维长度。证明,在图3 (b)我们也存在损失的空心布拉格光纤的模式,核心半径布喇格光纤和其他相同的参数。注意,损失较小,核心纤维几乎10倍的损失更大核心纤维。这意味着最大传感器长度为一个较小的核心纤维几乎10倍的长度短于传感器基于更大的核心纤维。在图3 (c)我们还阴谋最大灵敏度(5)的布喇格光纤传感器核心半径注意,这几乎是相同的,一个更大的核心纤维。这很有趣,虽然有点违反直觉的结果是一个直接后果的事实在空气层纤维操作辐射主导政权,光纤传输损耗和辐射因素并不是独立的参数。特别是,从(12),并假设纤维损失一个中立的分析物百事装瓶集团,然后纤维吸收损失的变化被分析物的折射率的实部是所描述的: 在布拉格纤维通常在辐射主导政权运营一个发现。因此,最大振幅(定义的敏感性5)将不依赖于纤维的损失,因此,它不依赖于传感器的长度。这一发现承诺百事装瓶集团的一个重要优势基于光纤谐振传感器相比传统absorption-based同行。特别是紧凑和高度敏感的传感器,利用百事装瓶集团短纤维片,不需要纤维卷更方便使用,比传统的同行,更容易维护,利用长螺旋纤维。

4所示。表面等离子体Resonance-Based光纤传感器

在本节中,我们描述了另一种类型的共振传感器操作之间的相位匹配点附近的Gaussian-like核心模式的纤维(波导),另一个模式与分析物有很强的重叠区域(见图的插图1 (b))。接下来,有很强的重叠的模式分析物被认为是金属化纤维表面电浆波传播面临着被分析物。

传播在金属/电介质界面,表面电浆子(27)非常敏感介质的折射率的变化。这个特性构成了核心的表面等离子体共振(SPR)传感器。通常,这些传感器实现在p-polarized Kretschmann-Raether棱镜几何光线通过玻璃棱镜和反射出了金属(金、Ag)薄膜沉积在棱镜方面(28]。棱镜的存在允许相匹配的入射电磁波与电浆波在金属/环境介质接口在一个特定组合的入射角和波长。数学,相位匹配条件表示为一个plasmonvector之间的平等和投影的wavevector入射波在界面。由于等离子体激发条件共鸣地取决于周围介质的折射率的值在100 - 300海里的接口,支持的方法,例如,检测,以前所未有的敏感性,金属表面上的生物绑定事件(29日]。的生物反应可以随后通过监测角(29日,30.),光谱(31日)或阶段(32,33)反射的光的特性。然而,商用系统的高成本和大尺寸使他们有用的主要是在一个实验室,而许多重要领域和其他应用程序仍然出了这种方法。

使用光学波导和纤维代替大部分电浆中的棱镜配置传感器提供了小型化、高度集成和遥感的能力。在纤维和waveguide-based传感器,一个发射光波导核心,然后使用引导模式的耦合电浆模式探测周围环境的变化。有效地激发表面等离子体,等离子体之间的相位匹配条件和波导模式必须满足,这在数学上相当于他们的模态之间的平等传播常数(有效折射率)。在过去的十年中,由于需要小型化的SPR传感器、各种小型配置使光波导之间的耦合模式和表面电浆波进行了研究。其中,金属化单模、多模和偏振保持波导和纤维,金属化锥形纤维,金属化光纤布喇格光栅(34- - - - - -49),最近,实芯微结构纤维(50- - - - - -52),以及平面光子晶体波导(53研究了。在大多数纤维实现微观结构纤维的(有一个例外),一个典型的光纤包层剥离掉纤维聚合物夹克和抛光直到纤维芯暴露;这时,一个金属层直接沉积在纤维芯。因此功能化纤维芯表面然后暴露于一个分析物。

在理想的情况下,人们会使用单模光纤或波导与所有的力量在一个旅行Gaussian-like核心模式操作点附近的共振激发的等离子体37,54- - - - - -58]。高斯的核心模式是很重要的,因为它是最适合的激励标准高斯激光源。匹配点附近的阶段,大部分的能量发射到波导核心模式应该有效地转移到等离子体模式。然而,在总内部折射(行动)与低折射index-contrast单模波导,用等离子体耦合实现在本质上放牧的模态入射角度的金属层。如下基本SPR理论,耦合在这样的掠入射角度导致不可避免的SPR方法的灵敏度降低。原则上,高index-contrast单模波导(见图4(一))可以用来提高模态的角度入射界面。然而,在单模waveguide-based传感器、等离子体之间的相位匹配和基本波导模式通常是很难实现的。这是有关事实的有效折射率core-guided-mode接近核心材料的折射率,这通常大于1.45由于实际材料的局限性。等离子体的有效折射率接近周围介质的折射率,通常是空气(气体传感)或水(生物传感)。因此,大型的有效折射率差使得相匹配的两种模式之间难以实现,与高频率的一个例外等离子体的色散关系开始偏离走向更高的折射率。因此,由于实际的最小值限制波导芯和包层折射率,单模行动waveguide-based传感器显示几乎只在可见的相位匹配条件更容易执行。

问题相匹配和灵敏度损失由于浅入射角度可以,原则上,缓解用多模波导(45- - - - - -49]呈现在图4 (b)。如果启动得当,模态有效传播角度在这种波导可以更陡峭,也导致较小的有效折射率。然而,在多模波导,大量的高阶模式可以用等离子体相匹配。因此,这些传感器灵敏度和稳定性的关键取决于发射条件。此外,正如空间场分布在Gaussian-like激光源通常不能很好地与多模波导的高阶模式的场分布,只有一小部分能量可有效地发射到这样的模式,从而导致灵敏度降低再次。

5。Plasmon-Assisted传感使用固体核心组织纤维

缓解的问题相匹配的纤维核心模式和等离子体的方法之一是引入额外的几何特性的纤维芯可以调优的纤维芯模式有效折射率(51,59]。如前所述,在水或气体分析物的核心模式有效折射率必须降低匹配的等离子体。作为第一个例子的纤维,优化设计可以有效地实现我们考虑一个坚实的核心微结构光纤如图5(一个)。这种MOF是由一个坚实的核心周围一圈六空气孔的直径被放置在六边形的顶点与vertice-to-vertice距离。的环孔作为低折射率包层启用模式指导纤维芯。较低的折射率core-guided-mode一小空气孔直径引入纤维芯中心。的一个洞,小洞可以使用类似于数组(60]。最后,两个大半圆的通道的大小微结构光纤核心区域。在传感器操作这些通道充满了分析物,在接下来我们假设下的分析物的研究是蒸馏水。在纤维芯方面的渠道覆盖着金薄膜的厚度使等离子体激发的黄金/分析物界面。核心模式和等离子体之间的耦合强度强烈影响的大小洞周围的纤维芯(大孔尺寸导致弱耦合)。我们假设MOF是由石英玻璃的折射率由Sellmeier-type符合标准之一(61年]。最后,黄金的介电常数是由柯克近似的模型: 在选择,,提出了许多可能的适合的实验数据。

作为一个具体的例子,我们认为财政部使用以下参数,,,,。

有限元法与PML边界是用来发现复杂core-guided和电浆模式的传播常数。一个典型的基于光纤传感器电浆操作之间的相位匹配点附近的core-guided-mode和等离子体局部表面金属化。图5 (b)我们现在的色散关系core-guided-mode厚(实线)和等离子体(粗虚线)。相匹配的点位于640 nm,模态之间的差异折射指数是最小的。详细的模拟显示,通过改变中心孔的大小范围,或者通过改变六个孔的直径范围后,我们就能很容易地调整基本模式的有效折射率0.01 RIU相当于30纳米光谱调谐的电浆高点的位置。附近的能通量分布相匹配点(insets (I, II)在图5 (b)允许明确区分两种模式的本质是核心模式(插图(I))和电浆模式(插图(II))。由于对称性,只有四分之一的纤维crossection insets的了。附近的一个相匹配的点两种模式成为强烈混合(插图(3)图5(c)),损失的core-guided-mode大幅增加由于能量传递到有损等离子体模式。损失计算的核心模式提出了在图5 (b)细实线。为参考,损失(dB / m)被定义为。

如前所述,检测变化的传播损耗core-guided-mode其相匹配的等离子体构成许多SPR传感器实现的核心。现在我们详细plasmon-based转导机制更多的细节。在图6(一)我们现在损失的基本core-guided-mode的波长范围同样的财政部设计(如前所述)。实线对应于一个纯粹的分析物它有两个电浆激发峰位于640 nm和1120 nm。展示的潜力这对传感光纤,我们现在在一个虚线的损失情况下当分析物的core-guided-mode折射率改变。可以看到从图6(一)第一电浆峰的位置(在更短的波长)变化多达10纳米,这很容易探测。量的转变一电浆峰的位置可以,原则上,提取的价值分析物的折射率的变化。这种传导机制是常用的检测分析物大部分折射率变化,以及监控的生成nanometer-thin biolayers在传感器表面金属化。

有趣的是,当分析物的折射率变化第二电浆峰图的位置6(一)保持几乎不变。因此,这样的峰值不能用于传感分析物的折射率的变化。然而,存在这样一个峰值是非常有用的,因为它是一个自然的参考测量,这大大简化了数据采集和数据解释。更好地理解两个电浆的性质山峰,insets的人物6(一)我们现在能通量分布core-guided核心模式评估第一和第二电浆峰值。从这些照片中注意到的第一个高峰(插图(I),图6(一))混合模式的等离子体的贡献是分析物的非定域化的地区,而在第二个峰值(插图(II),图6(一))等离子体对混合模式是离域的贡献主要是在光纤包层。这就解释了为什么光谱的位置第一高峰是更敏感的变化被分析物的折射率比第二个峰值。

最后,在图6 (b)我们提出振幅财政部传感器灵敏度的变化定义的分析物的折射率的实部(5)()。传感器的敏感性计算数的金层厚度值。最大灵敏度达到40吗纳米厚的金膜。假设透射光的振幅的变化能够可靠地检测到,这导致传感器的分辨率。最后,在最大的波长传感器灵敏度总纤维损失150年,因此定义最大长度传感器的顺序1。通过我们注意到作为一个表面等离子体激发非常敏感的一个金属层的厚度。这可以用于研究金属纳米粒子绑定事件的金属表面上的传感器(62年]。这种模式下传感器的操作感兴趣的可以,例如,金属纳米粒子浓度的监测与光敏药物在光动力治疗癌症63年]。

6。Plasmon-Assisted使用实芯光子带隙光纤传感

像在前一节中提到的,额外的几何特性引入纤维的纤维芯可以允许优化核心模式有效折射率。然而,在TIR-microstructured纤维调谐范围的情况下,虽然显著(0.01 RIU如前一节所示),不足以缓解的问题相匹配的纤维核心模式和一个等离子体。相匹配的问题变得尤其明显的低折射率分析物。在下面,我们详细的光子带隙光纤的设计原则和waveguide-based SPR传感器和显示在这种传感器基本Gaussian-like漏水的核心模式可以在任意阶段与等离子体不仅从可见波长的操作中,对于任何值的分析物的折射率。有效地、PBG waveguide-based传感器集成的优点多模和单模waveguide-based SPR传感器能够减少核心模式折射率任意值(0),而操作Gaussian-like核心模式。

提醒读者,“漏模式”一词,通常指的是指导机制,传播模式的有效折射率小于波导包层。这种不寻常的模式被称为漏水的模式,在波导核心之外,他们没有表现出传统损耗衰减到包层,而是慢慢辐射到包层(泄漏)。与共同行动的波导,漏水的光子晶体波导的模式在光子晶体的能带隙反射器。因此,有效折射率的基本(最低损失)漏水的核心模式的设计可以任意小于波导的核心材料,从而使等离子体在任意频率相匹配。此外,最低的损失漏水的核心模式通常展品Gaussian-like强度分布波导核心区域,从而使方便的高斯光束激发外部光源。使用基本的(最低损失)渗漏模式传感给的额外优势有效单模传播机制。特别是,当一组传感器输入模式很兴奋,高阶漏水的模式辐射的速度比一个基本模式。因此,经过一定的传播距离,只剩下最基本的模式是在波导核心。最后,有效的模态角入射到金属薄膜,因此敏感性,可以在将通过一个适当的选择不同的波导核心和反射镜材料。

6.1。使用平面光子带隙波导SPR传感器

证明光子能带waveguide-based SPR传感器的操作原理,我们首先考虑等离子体激发的Gaussian-like TM-polarized平面光子晶体波导的模式(见图7(一)),光限制在一个较低的折射率核心是通过周围的多层反射器。TM极化电磁场的平面多层假定一个磁场分量导演平行的平面多层,而电场组件是局限于一个平面垂直于多层。

光子晶体波导在考虑由27个交替层折射率,。核心层层12号;在折射率。分析物(第一覆层)是水毗邻50 nm一层黄金。衬底的折射率为1.5。理论与无限平面光子晶体波导反射镜(64年),预测,设计波长,有效折射率的基本TE和TM core-guided-modes可以随意设计,只要,通过选择反射器层厚度 并通过选择核心层厚度。此外,对于这个选择的场分布的核心总是Gaussian-like TE-polarized模式,而对于它是Gaussian-like只要TM-polarized模式(64年]。通过选择一个核心模式的有效折射率的等离子体,达到所需的相位匹配条件。对于一个波导有限反射器,拥有大约相同的设计原则。因此,对于一个操作的波长被认为是在这个例子中,相位匹配实现光子晶体波导设计时使用和在(16)。一个合理的近似是一种价值的有效折射率的电浆波传播平面gold-analyte接口: 在哪里分析物的介电常数和吗是金层的介电常数近似的柯克模型(15)。

在图7 (b)我们现在带图的平面光子晶体waveguide-based SPR传感器。所有的模拟执行使用标准的传输矩阵理论在一个完整的系统,包括波导和金属层。灰色区域表示大部分州的周期性的反射器。明确地区TM能带没有扩展到反射镜州被发现。厚的实线,这几乎是带隙边缘平行,标记为“核心模式”是Gaussian-like漏水的核心模式的色散关系与大多数的模态能量集中在低折射率芯。虚线标记为“等离子体”代表了一个电浆的色散关系模式。等离子体的能量大部分集中在金属/分析物界面。

相位匹配点附近core-guided-mode包含强烈的电浆领域的贡献。等离子体展品非常高的传输损耗,失去核心模式(在图上阴谋7 (c))也将表现出大幅增加相匹配点附近的等离子体。设置的一个重要方面是自由的调整的核心模式。漏水的模式迅速衰减指数对距离多层反射器,等离子体之间的耦合强度和核心模式可以控制通过改变反射器层位于波导芯之间的数量和金属薄膜。最终,导致更高的模态耦合强度较高的损失,因此,传感器长度短。当分析物的折射率的实部是多种多样,取代相应的等离子体色散关系,从而导致变化的位置与core-guided-mode相匹配的点。因此,匹配点附近的阶段,传输损耗core-guided-mode强烈变化的分析物的折射率的变化(见图的上半部分7 (c))。

我们想指出,什么是标识为“核心模式”在本文中的所有数据实际上是一个波导超模,包括core-guided-mode和电浆的贡献。由于等离子体模式非常有损的,只有一个小的混合模式与核心模式实现传感是必要的。我们发现相关的也显示在图电浆模式是什么样子的相位匹配点附近,尽管这种模式本身并不是用于我们的感应安排。根据设计,等离子体的贡献逐渐消失的尾巴核心模式并不总是可见的场分布的情节,只有真正的组件模式真正相匹配。

最简单的操作方式waveguide-based SPR传感器检测的小批量分析物的折射率的变化。类似于百事装瓶集团中空心光纤传感器的情况下,有两种主要形式的SPR detection-amplitude-based和spectral-based。在两种方法中感应是通过检测的位置急剧变化的电浆损失峰值谱位置是强烈依赖于环境折射率的值。在amplitude-based方法中,所有的振幅测量执行一个波长附近的中心电浆的峰值。这种方法的优点是它的简单性和低成本,不需要光谱操作。缺点是一个较小的动态范围和低灵敏度与波长相比审讯方法,整个透射光谱的拍摄和比较之前和之后的变化被分析物。我们现在使用表达式(5)定义传感器灵敏度振幅变化对分析物的折射率的实部。在(5)被测变量是,是core-guided-mode的传播损耗提出了图的顶部吗7 (c)。在图的底部7 (c)我们提出振幅敏感性的PBG waveguide-based SPR传感器的波长的函数操作。最大灵敏度达到在673 nm和等于112。它通常是一个安全的假设1%透射强度能够可靠地检测到的变化,导致传感器的分辨率。在波长审讯模式下,分析物的折射率的变化检测通过测量电浆中心峰值波长的位移作为一个分析物的价值函数的折射率。然后传感器灵敏度定义的表达式(7),。我们发现的光谱灵敏度PBG waveguide-based传感器是2300。假设一个0.1纳米共振峰的位置变化能够可靠地检测到,传感器的分辨率是获得。

总是在最后,传感器长度。附近的电浆峰图所示7 (c)典型的传感器长度是。详细的模拟还表明,类似于共振传感的情况下使用百事装瓶集团中空心纤维,灵敏度的PBG waveguide-based电浆传感器只有弱依赖于传感器的长度。特别是通过改变反射器的数量层分离波导核心和黄金层可以改变整个传感器从sub-mm到几厘米长度不改变显著传感器灵敏度。

在本节的其余部分,我们目前的理论研究基于光子带隙光纤SPR传感器的设计,而不是平面波导。基于光纤传感器的优点在平面同行包括更低的制造成本,分布式传感的可能性,和微流体进入纤维的纤维结构直接绘制的步骤。接下来我们将演示一个SPR传感器使用固体核心PBG布拉格光纤在760年投入运行海里,以及一个使用蜂窝晶格光子带隙光纤SPR传感器操作在1060海里。

6.2。使用光子能带布拉格光纤SPR传感器

我们首先描述实芯布喇格光纤SPR传感器水分析物的检测。在这样一个传感器上薄薄的一层金沉积在布拉格光纤的外表面直接接触分析物。通过裁剪core-guided-mode的布拉格光纤的色散关系,相位匹配与等离子体可以获得任意波长的可见光和近红外线。这种传感器的操作方式是Gausian-like核心模式。这种模式的有效折射率匹配与等离子体的纤维芯尺寸的正确选择。的选择模式在其他模式是出于易于激发使用常见的高斯激光源。

作为一个例子,我们考虑实芯光子晶体布拉格纤维制成的两种材料的折射率和。原型的纤维最近在我们组制作了使用聚(乙烯撑difloride) (PVDF) /聚碳酸酯(PC)材料的组合(65年]。在这样的纤维、固体折射率的核心周围是N交替高、低折射率层反射器的厚度,(见图8(一个))。在某种程度上类似于平面多层波导,反射器层厚度由四分之一波长条件下(16),是一个操作波长,所需的有效折射率的core-guided-mode波长。虽然这种选择反射器参数保证能带指导模式的有效折射率然而,这并不能保证这样一个模式的存在。一种定位的核心模式色散关系在反射器带通过改变纤维芯直径。即在大内径布拉格纤维、有效折射率的基本核心模式接近的核心材料。通过减少纤维芯的大小,一个人可以一直减少核心模式有效折射率,,最终,在反射器的中间能带位置。此外,在SPR传感的环境中,也对应的波长相匹配的等离子体和芯导模式之间的关系。因此,一个好的近似的core-guided-mode是电浆波传播的有效折射率平面gold-analyte接口由(17)。这些选择的和我们还剩下一个自由参数,即层数N布喇格反射器。在布拉格金属化纤维,引导模式产生额外损失由于高金属薄膜的吸收。当操作布拉格光纤的能带隙内反射器,漏水的核心领域的模式衰减指数快速反射镜。因此,模态出现在金属层也能减少指数快速增加反射器层的数量。因此,反射器层数的选择主要影响核心模式传播损耗,和,因此,传感器的长度。就像前面所提到的,使光纤传感器灵敏度每周只依赖于传感器的长度。因此,没有失去敏感性,会选择一个足够小的反射器层,因此合成纤维短足以阻止绕线和简化传感器处理的必要性。

在图8我们提出一个坚实的核心PBG光纤SPR传感器。通过选择纤维芯尺寸小,可以大大减少核心模式的有效折射率。这使得电浆激发长波长近红外线。在图8(一个)我们展示的横截面小芯布喇格光纤传感器,以及能量通量分布核心模式和电浆模式。反射器层厚度的选择是根据(16),,,,,从而导致,。纤维芯直径是。总层数。对于基本Gaussian-like模式,核心是78%的能量。在图8 (b)我们提出的带图的模式定义布喇格光纤传感器。常见的TM, TE隙相应的无限周期提出了布喇格反射器的一个明确的区域,而灰色地区定义一个连续的反射大部分州。在一个小核心布拉格光纤,core-guided的有效折射率模式(厚的实线)可以大大小于核心材料的折射率(细实线)。等离子体的色散关系模式显示为虚线。在这种特殊情况下,色散关系的core-guided-mode转向反射能带边缘越低,因此,核心模式(坚实的曲线在图8(一个))和电浆模式(虚曲线在图8(一个)渗透到反射器显著。相匹配的核心与电浆模式实现在758海里。上的人物8 (c),core-guided-mode的传播损耗是波长的函数。从这个情节,核心模式损耗峰的波长相匹配的等离子体模式。低的数字8 (c),我们现在振幅敏感性(5)的一个坚实的核心布喇格光纤SPR传感器对分析物的折射率的实部的变化。最大灵敏度达到在788 nm和等于293。假设1%的透射强度的变化可以可靠地检测到,这就导致了传感器的分辨率。最后,我们发现相应的光谱灵敏度(7)是。假设0.1 nm共振峰的位置变化能够可靠地检测到,这就导致了传感器的分辨率。传感器的长度,在这种情况下是1厘米的范围内。

6.3。SPR传感器使用光子能带蜂窝纤维

在前两个部分我们提出设计策略的SPR传感器基于PBG布拉格波导和PBG布拉格纤维。原则上,可以使用任何光子带隙光纤代替布拉格纤维开发这样的传感器。在本节中,我们讨论的一个例子SPR传感器基于一个坚实的核心蜂窝PBG纤维。

在图9(一个)蜂窝光子晶体光纤SPR传感器的示意图。设计参数选择如下,相邻孔之间的中心到中心的距离,包层孔直径孔的直径,中心是核心。纤维是由石英玻璃的折射率,核心和包层洞充满了空气,而大半圆的通道是镀一层40 nm厚的黄金,装满水分析物。中央洞纤维芯降低其有效折射率与二氧化硅包覆。在一定条件下,这种核心可以支持模式局限的能带隙蜂窝反射器。core-guided-mode这样纤维类似于小实芯的布拉格光纤。光纤的能带隙反射器的指导下,核心模式的有效折射率可以比这低得多的硅材料。此外,正如在光子晶体布拉格纤维,辐射损失的能带隙引导核心模式可以减少增加层蜂窝反射器。我们选择的主要原因的蜂窝结构光纤反射器,因为它使一个非常大的光子能带(66年,67年),从而大大简化相匹配的core-guided和电浆模式。

与平面金属/电介质界面,支持一个电浆励磁,有限大小、微观结构金属层分离两种电介质可以支持多个电浆模式(51,52]。core-guided纤维带来损失,因此,当跟踪模式是波长的函数,通常观察到电浆山峰之一相对应匹配的核心模式和各种电浆模式之间。之一,尤其是电浆模式将大部分能量集中在一个邻近的电介质,而另一电浆激发将大部分的精力集中在其他邻近介质。原则上,同时检测几个电浆峰值的变化可以提高传感器的灵敏度;此外它给自然参考点测量。

对于蜂窝光子晶体光纤传感器设计纤维,这样两个电浆山峰退化在1009海里。图9 (b)显示了Gaussian-like核心模式的色散关系(厚的实线),被分析物结合电浆模式(与圆细实线)和包层电浆模式(厚的实线)。这些色散关系定位无限蜂窝的能带隙内反射器,可以证实了平面波方法(67年]。相应core-guided通量分布和电浆模式呈现在图9 (c)。核心模式显示单个电浆峰值(固体损失曲线在图10 ()。当分析物的折射率不同,这影响了两个电浆色散关系不同。特别是,被分析物结合等离子体模式的影响更强烈的分析物的变化比包层折射率绑定电浆模式。因此,简并解除,两个紧密间隔的电浆的峰值出现在核心模式损耗曲线(虚曲线在图10 ())。例如,一个0.002的变化被分析物折射率单一电浆峰分裂成两个山峰相隔27.5海里。这允许一个新颖的光谱探测技术,相对峰分离可以用来描述的变化被分析物的折射率的实部。通过定义光谱灵敏度 我们发现光谱的敏感性。它通常是一个安全的假设0.1 nm共振峰的位置变化能够可靠地检测到,从而导致传感器的分辨率,据我们所知,据最高水光纤SPR传感器的光谱灵敏度。

最后,在图10 (b)振幅的敏感性,提出蜂窝光子晶体光纤传感器所定义的(5)。最大灵敏度达到在1009 nm,等于400。它通常是一个安全的假设1%的透射强度能够可靠地检测到的变化,导致传感器的分辨率。有趣的是,这个传感器设计、灵敏度曲线只有一个最大,与相关的灵敏度曲线布喇格光纤设计报告在前面的部分。传感器长度在本例中是1毫米的范围内。

7所示。Pseudoplasmon-Assisted使用高度多孔微结构光纤传感在太赫兹光谱范围和铁电层

在最后一节中,我们提出一个替代方法相匹配(在任何可取的波长)core-guided纤维与等离子体模式。这种方法特别有用在非常低的折射率分析物的情况下,如气体。气体分析物的折射率接近于1,当等离子体有效折射率通常是接近一个分析物,它变得特别具有挑战性,以确保有效折射率匹配core-guided-mode足够低的等离子体。降低核心模式有效折射率的一种方法是使用亚波长导光纤维或高度多孔纤维,其相当大一部分位于气体包层模态字段。不幸的是,亚波长纤维不仅在可见甚至中光谱范围很难制造和使用作为他们的尺寸小于的一小部分。然而,在太赫兹(太赫兹)光谱范围(也称为远红外)覆盖30-3000年波长,亚波长光纤尺寸在几十甚至上百等,从而使纤维容易制造和处理(68年]。

亚波长太赫兹纤维的一个例子,它支持与非常低的模式有效折射率呈现在图(11日)。聚四氟乙烯棒1480所示的纤维直径有四层的六角多孔芯的形式安排亚波长孔充满空气。也不管他打到第几洞距离(球场)被认为是,而孔直径。聚四氟乙烯和空气的折射率分别为1.59和1.0。从外面,聚四氟乙烯纤维覆盖着30厚层铁电塑料(聚偏二氟乙烯(PVDF))面临着空气。PVDF是一种用小铁电半晶质的聚合物介电常数的绝对值中的可见光和近红外线区域。然而,在太赫兹地区铁电体的介电函数PVDF展品共振 ,根据(69年),,,,。在100年之间的波长范围(3太赫兹)和700(0.43太赫兹)的折射率的实部PVDF小于1,而虚部大多是积极的和大于1。因此,PVDF介电常数的实部为负,通过类比金属在可见范围内的行为,PVDF层预计将支持plasmon-like激励,我们称之为Pseudoplasmon。

详细(68年),引入的亚波长孔纤维芯允许大幅降低的有效折射率core-guided-mode。反过来,这使得相位匹配可能core-guided-mode和太赫兹Pseudoplasmon传播在PVDF /空气界面(70年]。此外,相位匹配点外,大部分能量在Gaussian-like核心模式引导在亚波长孔(见图的插图(I)11 (b)),从而导致大大减少模态吸收损失。在图12我们现在的色散关系和损失core-guided和Pseudoplasmon模式。特别是,图12(一个)礼物的有效折射率core-guided和Pseudoplasmon模式作为波长的函数。避免模式两种模式之间的交叉的波长300左右是清晰可见。在图的插图(II)11(b)我们展示附近的场分布在混合模式相匹配的点(点图(2)12(一个))。从情节,来自core-guided-mode和Pseudoplasmon都清晰可见。在图12 (b)点附近,损失core-guided-mode避免交叉显示两个值的分析物的折射率和。损失core-guided-mode峰(25dB /厘米)的Pseudoplasmon相匹配,而低得多(10dB /厘米)以外的地区相匹配。在这些模拟聚四氟乙烯材料被认为是无损的PVDF相比,这是有道理的聚四氟乙烯的大量吸收损失报告一样低1。3dB /厘米。

最后,在图12 (b)我们提出振幅porous-core光纤传感器的灵敏度的变化被分析物的折射率的实部(见定义(5))。在292年达到最大灵敏度和= 29。假设射线强度的变化可以可靠地检测到,传感器的分辨率预计。传感器长度在本例中是1厘米的范围内。

8。讨论

首先,我们想评论的局限性的理论估计传感器检测极限。整个论文我们假设,例如,光谱检测方法允许检测0.1 nm的共振吸收峰的位置变化。如果一个共振峰保留其形状当分析物的折射率变化,那么传感器分辨率仅由光谱仪的分辨率决定的。这确实是我们理论模拟的情况。然而,如果存在噪声,热噪声等不均匀性分析物的折射率等,然后在最大值峰的形状可以改变测量之间的不可预知的,因此限制了传感器的分辨率。同样的争论也适用于振幅传感测量执行在波导最强的波长变化的损失。在我们的理论估计我们使用光谱分辨率为0.1 nm和1%的幅度分辨率反映了在谐振传感器实验的作品。我们注意到这些光学检测的限制实现真正的传感器系统温和的复杂性和成本。

另一个重要问题提出了传感器是关于他们的实际实现的复杂性。提出了设计使用的大多数nanothick金属层沉积在纤维的内在或外在的表面微观结构问题是关于实验技术,可以让这样的金属化。第一篇论文后谐振传感器基于mof的电浆(53曾有一些报道说的金属包覆和metal-filled光子晶体纤维的制造。特别是,在71年]的作者称沉积薄金属层微米大小的孔的内壁上银财政部通过降水从还原反应用化学沉积。在[72年]相同的还原反应是用于创建银纳米粒子微观结构墙。在[73年]作者使用高压化学淀积过程沉积银纳米粒子和nanothick层微观结构纤维内壁上。在[74年]作者codrawn铜杆密封的石英管,然后插入一个因此铜/硅线进入一个石英光纤预制棒和重画一遍得到财政部选择性金属化孔。最后,第一个示范的光子带隙光纤电浆传感器提出了(75年]的作者金层沉积到布拉格锥形光纤的外表面。快速进步的制造金属化mof和pof使我们相信各种传感器提出了工作确实有很强的实用潜力。

9。结论

总之,我们回顾了微结构光纤和光子带隙(PBG)光纤共振光学传感器的变化被分析物的折射率的实部。特别是,我们已经考虑了两种传感器类型。一个传感器类型采用空心光子能带纤维core-guided-mode强烈关在analyte-filled核心的位置。另一个传感器类型采用金属化光子带隙波导和纤维,在core-guided-mode阶段与等离子体传播在金属化纤维/分析物界面。论文中描述的所有传感器类型显示强烈的共振依赖纤维吸收的价值分析物的折射率,导致的决议在现实的一部分水和气体分析物折射率(假设振幅或光谱审讯手段)。在这两种传感器类型长度是可被识别的,可以从亚毫米到数米。令人惊讶的是,我们发现最大传感器灵敏度很大程度上独立于传感器长度。最后,操作区域的谐振传感器工作综述了跨越广泛的波长从可见到太赫兹。

总结本文的结果,我们也提供一个性能参数表的所有共振传感器的设计考虑。除了最后一个设计我们假定一个水分析物,而对于太赫兹传感器我们假设气体分析物。