基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振效应的低折射率传感器研究

With the rapid development of modern environmental monitoring industry, the SPR sensors with high sensitivity, low cost, compact size and the capability of working in a variety of environment situation are more and more interesting. However, at present, limited by the factors like numerical aperture, the new type optical fiber SPR sensors are incapable of implementing in a variety of measurement environment (like air and solutions). In this project, by using the unique characteristics of tilted fiber Bragg grating, in which special micro Kretschmann prism structure are established, through modulating the inclined angle of tilt fiber Bragg grating, we propose and demonstrate an optical fiber SPR sensor system that is suitable for working in different refractive index surroundings. The sensors’ demodulation wavelength lie in the communication band of 1310/1550nm with absolute wavelength demodulation method. Research is focused on establishing the scheme of the TFBG’s theoretical model; the design and fabrication of a particular angle of chirped tilt fiber grating; the implement of gold and silver overlapping multilayer membrane structure for low-cost sensitivity enhancement. This project not only has is significant scientific value, also has important practical potential at the same time, providing new ideas and solutions for the new type of optical fiber SPR sensors applying in the industrial, environmental, and health monitoring field in the future.

随着环境监测、化学工业等行业的发展，对于能够兼容多种环境并高灵敏度、低成本、小型化的SPR生化传感器的需求越来越强烈，而目前基于新型光纤结构的SPR传感器由于受限于数值孔径等因素并不易于实现多种测量环境（空气、溶液）的传感测量。本项目针对此难点，结合传统棱镜式SPR结构中易于通过大范围调谐入射角度实现从低到高折射率多种环境下传感的思路，利用倾斜光纤光栅所特有的，能够在光纤内部建立微Kretschmann棱镜结构的特殊SPR传感机理，通过调谐啁啾倾斜光纤光栅写制角度的技术方法，设计适用于不同折射率环境的通信波段绝对量解调的光纤SPR传感系统。本方案研究重点在于在建立理论模型的基础之上，设计并制备特定角度的啁啾倾斜光纤光栅及利用金银交叠多层膜结构对传感器进行低成本增敏。本项目工作可为新型光纤SPR传感器在未来工业、环保及健康监测领域提供新的思路和解决方案, 具有重要的科学意义和应用价值。

针对环境检测领域、现代工业检测领域及医药开发/健康监测等国家重要发展核心领域对折射率及其衍生物理/化学/生化量检测的巨大需求，本项根据在光纤传感器、表面等离子基元共振技术SRP、纳米材料与结构、生物小分子探针技术及光电信息处理技术等多方面的研究经验，以及对光纤折射率传感器研究所存在的关键问题和前沿发展趋势的调研和掌握，在本项目中开展了同时能够兼容多重测试环境（气态、液态）的大动态范围、低成本、高灵敏度、结构小、体积紧凑的以新型光纤无源器件倾斜光纤光栅TFBG为核心单元的光纤传感关键平台技术的研究。.本项目主要研究采用了理论研究、模型建立及仿真、传感系统设计、传感核心器件开发、实验测试和传感性能优化等多种研究方式，解决了多个关键科学技术和问题，取得了多项创新性成果：.1）.探索并建立了倾斜光纤光栅模式耦合理论模型及表面等离子共振模型，实现了完整的TFBG-SPR气液两相环境下的透射谱特性仿真。.2）.完成了液相环境下生化传感检测。结合硼酸分子探针技术，实现了针对糖基蛋白质的特异性高灵敏度的检测，获得了15.6nM的低检测极限。同时为了进一步实现对小分子检测，项目引入了金属纳米粒子局域表面等离子体共振效应对TFBG-SPR信号做大幅度增敏，实现了TFBG-SPR无法检测的糖分子的高灵敏度检测技术，其检测极限LOD低至0.29nM。.3）.设计并完成了气相环境下的高灵敏度、低功耗流量检测系统，结合新型低维纳米材料获得了高达93%的系统吸收效率，获得了-0.3667nm/(m/s)的高灵敏度， 解决了传统风力传感器盲区检测问题，并进一步优化系统实现了极低功耗9.6mW运行的气体流量传感器系统。.本课题开展的气液两相高灵敏度、低成本、结构紧凑的生化/气体传感技术，促进了光纤SPR传感器的工作波段的扩展，实现了在通信波段稳定性好、灵敏度高、易于集成的新的传感系统平台，研究成果对于生态环境保护、人体无损无痛诊断、医药研发过程监测、工业生产及气象环境检测、新能源检测等众多国家新兴核心领域具有重要的现实意义和应用前景。