1、 萬方數(shù)據(jù)率變化時(shí),其諧振波長將發(fā)生明顯的漂移。2.1LPFG生物傳感LPFG生物傳感器通過在LPFG表面敷上特殊的生物活性膜層與檢測生物分子的吸附作用,使LPFG 包層厚度變化,引起隱失場區(qū)域有效折射率的改變,進(jìn)而引起LPFG透射譜吸收峰波長的漂移,從而達(dá)到生物分子的檢測。Mattew P.De Lisa等【4】首次利用LPFG制作出檢測抗體抗原的免疫生物傳感器。2.2LPFG化學(xué)傳感最早的LPFG化學(xué)傳感器,通常直接沉浸在氣體或液體等外部介質(zhì)中。這種條件下只有外部環(huán)境折射率小于或等于光纖包層的折射率時(shí)才有較高的靈敏度,這在很大程度上限制了其在化學(xué)檢測方面的應(yīng)用。最近的研究,主要是在LPFG

2、包層外鍍一層隨外界環(huán)境變化折射率發(fā)生變化的敏感薄膜層。Stephen W.James等【8】通過在LPFG的包層上面鍍一層折射率隨外界環(huán)境變化而變化的薄膜,研究了包層表面所鍍薄膜厚度對(duì)LPFG透射譜的影響。在LPFG化學(xué)傳感應(yīng)用方面,Zhengtian Gu等91研究了鍍膜長周期光纖光柵傳感器靈敏度與薄膜光學(xué)參量和光纖光柵結(jié)構(gòu)參量之間的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)制作了溶膠凝膠SnO。薄膜長周期光纖光柵乙醇傳感器。z. Y.Wang等f10j研究了LPFG表面鍍折射率大于包層折射率的納米薄膜時(shí)諧振波長的變化,實(shí)驗(yàn)通過等離子體自組裝技術(shù)制備出納米薄膜,測量諧振波長變化,證明此技術(shù)可在生物化學(xué)薄膜傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)

3、用。D.Reibold等【111研究了LPFG表面鍍金屬膜的情況,發(fā)現(xiàn)在膜厚大于100nin時(shí),會(huì)出現(xiàn)一系列的周期性的次波。由于這種技術(shù)對(duì)于光纖的結(jié)構(gòu)要求較低,故將在成像和平板印刷領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。最近Ming Hart等m1研究了在LPFG表面鍍一超薄等離子體自組裝多層膜,并且證明這種技術(shù)可以應(yīng)用到全分布式生物化學(xué)傳感領(lǐng)域。3長周期光子晶體光纖光柵機(jī)理3.1光子晶體光纖結(jié)構(gòu)長周期光子晶體光纖光柵產(chǎn)生的最初思想來自于光子晶體光纖13,14】。PCF又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖專題報(bào)道l光纖傳感(Microstructure Optical Fiber,MOF,這種光纖的包層通常是由沿軸線延伸的微結(jié)構(gòu)空氣

4、孑L陣列構(gòu)成。圖1為PCF結(jié)構(gòu)示意圖。其中d代表空氣孑L的直徑,A表示相鄰孑L間距,R。和忌為格矢,n。表示基質(zhì)材料的折射率,n。為空氣孑L的折射率。圖1六角結(jié)構(gòu)PCF截面圖傳統(tǒng)光纖光柵按照周期長短可分為光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG和長周期光纖光柵(Long Period Fiber Grating LPFG。同樣對(duì)于光子晶體光纖光柵也分短周期(Bragg Gratings in Gratingsin Photonic Crystal Fiber,PCFBG和長周期光柵(LongPeriod Gratings in Photonic Crystal Fiber

5、, PCFLPG。由相位匹配條件得到,對(duì)于周期小于l斗m的光柵,稱為短周期光柵;對(duì)于周期大于幾百個(gè)微米的光柵稱其為長周期光柵。PCF是基于光子晶體(Photonic Crystal,PC的思想發(fā)展起來的,光子晶體是折射率在空間周期變化的介電結(jié)構(gòu),其變化周期是光波長數(shù)量級(jí),它具有光子帶隙,相應(yīng)于光子帶隙區(qū)域的那些頻率的光波不能在這種晶體中傳播,而被完全反射出去。PCF微結(jié)構(gòu)的空氣孔決定了PCF具有許多傳統(tǒng)光纖所不具有的獨(dú)特性質(zhì),如無截止單模、高雙折射、高非線性、可控的色散特性等。也正是由于PCF具有這些引人注目的性質(zhì),自1996年英國Bath大學(xué)P.Russell課題組f151研制出第一根PCF

6、以來,世界各地研究人員對(duì)PCF研究興趣日趨高漲,致使PCF無論是理論、制作工藝及其應(yīng)用方面都取得非凡的進(jìn)展。PCFLPG要求PCF具有無截止的單模特性,對(duì)于光子晶體光纖而言,只要其空氣孔徑與孑L間距之比小于0.2,即可實(shí)現(xiàn)從藍(lán)光到2“m光波下的單模傳輸,不存在截止波長,而且這種特性與纖芯的尺寸無關(guān)。對(duì)于高靈敏度的PCFLPG,則要求纖芯盡量具有較小的尺寸,一般情況可選擇大模場面積(LMA寬帶PCF,如丹麥Crystal Fiber公司的LMA系列。3.2工作原理對(duì)于傳統(tǒng)長周期光纖光柵,模式之間的耦合主要來自纖芯基模和同向傳輸?shù)囊浑A包層模116J。而對(duì)于中國光學(xué)期刊網(wǎng):Vg、gVW.optics

7、journal net 35萬方數(shù)據(jù)FEATURE I Fiber SensingPCFLPG,在寫入光柵之前,纖芯中僅存在二度簡并的基模,而在包層中,光子晶體性質(zhì)的限制,在某一頻率段的光在其中不能傳播1171;當(dāng)寫入光柵后,破壞了包層的完美性,致使光波有纖芯透射至包層,這時(shí)在PCF中表現(xiàn)為纖芯模和包層模的耦合;這一點(diǎn)可由Kakarantzas等【18】實(shí)驗(yàn)結(jié)果PCFLPG寫入前后近場分布明顯看出(如圖2所示。這一方面證明了“光子頻率帶隙”的存在,導(dǎo)致光波僅在晶體缺陷處傳播;另一方面也證明了寫入光柵后,改變了折射率的周期性,從而導(dǎo)致了模式的耦合,且這種耦合比傳統(tǒng)光纖光柵的耦合更能體現(xiàn)光柵耦合特

8、性,研究這一新穎光柵將會(huì)在理論上拓展光纖光柵的內(nèi)涵,更重要的是可以解釋復(fù)雜光纖結(jié)構(gòu)的模式特性。圖2寫入光柵前(a后(bPCF的近場分布3.3處理方法分析這種新穎的PCFLPG的性質(zhì)仍然使用耦合模理論1191。也正是由于基于相位匹配條件的耦合模理論模型物理圖像非常簡單,這一理論才能被廣泛應(yīng)用到LPFG中。由于PCF的幾何結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,即物理問題邊界條件非常復(fù)雜,所以一般的模擬方法需要用數(shù)值分析來計(jì)算PCF的有效折射率。這些數(shù)值分析方法有有限元法例、多極法21-23】、有效折射率法、平面波展開法閉、光束傳播法【嬲】、全矢量有限差分法271等。Lazs Rmdo耐281在2008年基于耦合模理論模型

9、及有限元模型分析光子晶體光纖光柵的靈敏特性時(shí),發(fā)現(xiàn)這一理論計(jì)算與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得非常好。3.4性質(zhì)特點(diǎn)在PCFLPG中,纖芯模和包層模同向傳播。這樣的模式傳輸,使得PCFLPFG具有PCFBG所不具備的特性,如帶寬較寬、后向反射低、插入損耗小、對(duì)外界環(huán)境變化的反應(yīng)靈敏度高、制作簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)都使PCFLPFG在傳感特別是生物化學(xué)傳感有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和競爭力。4長周期光子晶體光纖光柵寫入方法PCFLPG的寫入法有CO。激光脈沖寫入法18】、紫外寫入法唧l、超聲波調(diào)制寫入法、周期應(yīng)力法【31】。CO。激光脈沖寫入法是目前在PCF中寫入LPFG最36瞳辮與攤電子學(xué)進(jìn)展2009.11實(shí)

10、用的寫入技術(shù)。CO。激光脈沖寫入法是利用CO。激光束直接聚焦在PCF表面,通過控制激光器輸出功率和激光束的聚焦時(shí)間,而在PCF發(fā)生空氣孔產(chǎn)生坍塌或由于包層結(jié)構(gòu)松弛產(chǎn)生結(jié)構(gòu)周期性的變化,從而使折射率被周期性調(diào)制。利用這種方法寫制的光柵由于其成柵過程是結(jié)構(gòu)微擾,因此其溫度穩(wěn)定性比利用光敏光纖紫外曝光法所寫制的光纖光柵的溫度穩(wěn)定性高一個(gè)量級(jí)。同時(shí)這種光纖光柵寫制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是逐點(diǎn)熱激勵(lì),對(duì)光源的相干性要求,操作簡便,寫制成本低,易于集成和實(shí)用化。且此方法寫制光柵的周期可調(diào),靈活性高,而不必像相位掩模法需更換不同的相位模板以寫制不同周期的光柵。2002年Bath大學(xué)的G.Kakarantzas等墻1利用

11、此法在PCF上制作出LPFG。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)實(shí)用激光輸出功率為2.5w,聚焦光束的帶寬為600Fm。實(shí)驗(yàn)寫入光柵參數(shù)如下:光柵周期A= 560i.Lm,周期數(shù)為60,光柵長度為L=AxN=336mm,且諧振波長為6144Bin。實(shí)驗(yàn)得出在每次掃描過程中,若增加CO。的曝光時(shí)間,纖芯模和包層模的耦合效率將會(huì)得到提高。除了在LPFG諧振峰處,不存在總體的可測量損耗。實(shí)驗(yàn)表明,在未寫入光柵之前光場僅分布在纖芯中,寫人光柵之后光場分布在纖芯和包層中,這與2000年A.Diez等例利用超聲波調(diào)制法寫入光柵的研究結(jié)論相同。圖3CO。激光脈沖寫入長周期光柵示意圖5長周期光子晶體光纖光柵在生物和折

12、射率傳感領(lǐng)域的應(yīng)用PCFLPG生物和折射率傳感器主要應(yīng)用了隱失波的靈敏性。由于在PCF中這種隱失波特性將更加明顯,由于在PCFLPG中,可將待測樣品直接注入到PCF的空氣孔中,這時(shí)就會(huì)和探測電磁場產(chǎn)生一種強(qiáng)的相互作用潷矧。La,rs Rindorf等【鸚】在文獻(xiàn)中指出表征PCFLPG 傳感器最好的參數(shù)是品質(zhì)因數(shù)Q,而不是靈敏度7。 他們通過使用全矢量有限元模型對(duì)其理論進(jìn)行數(shù)萬方數(shù)據(jù)值模擬,然后和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較,證明了這種理論分析的有效性。當(dāng)然在這一理論分析上還需考慮材料色散這一重要因素。對(duì)于傳統(tǒng)的光柵傳感器,當(dāng)溫度變化時(shí),光纖熱膨脹將引起纖芯和包層彈光效應(yīng),進(jìn)而產(chǎn)生波長的相對(duì)偏移量。PCFLPG

13、傳感器最主要的特點(diǎn)是,其對(duì)環(huán)境的溫度變化不敏感,大約5pm/K捌,但其對(duì)環(huán)境折射率靈敏度比傳統(tǒng)光纖高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)然PCFLPG傳感器最主要的缺點(diǎn)在于,PCFLPG群色散不匹配導(dǎo)致其具有較寬的諧振峰,從而在一定程度上降低折射率靈敏度。在實(shí)時(shí)測量這一技術(shù)上,傳統(tǒng)的光纖傳感器需將包層除去,讓包層暴露在待測環(huán)境中;光纖光柵傳感器則需通過在包層上涂覆一層敏感薄膜,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量。而目前報(bào)道的PCFLPG檢測技術(shù),采用將待測樣品通過高壓技術(shù)注入到PCF空氣孔中的方法。這一技術(shù)大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,完全將其應(yīng)用于集成傳感器系統(tǒng)上還有很長的路要走。5.1在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用2006年Lars Rindor

14、f等【舶】通過在PCF空氣孔中注人生物大分子,然后通過測量生物分子的厚度變化引起LPG的諧振波長漂移變化,從而實(shí)現(xiàn)了PCFLPG在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。由于在PCF空氣孑L中注入填充物后,孑L的折射率發(fā)生變化,從而引起包層模和纖芯模的有效折射率發(fā)生改變,并且前者的改變量大于后者;由LPFG諧振條件很容易得到此時(shí)諧振波長發(fā)生漂移,且為藍(lán)移。不同的生物分子層的厚度對(duì)應(yīng)著不同的包層和纖芯有效折射率,故其諧振波長也不相同,正是這種諧振波長的差異導(dǎo)致可以應(yīng)用此技術(shù)進(jìn)行生物大分子膜層厚度的測量。實(shí)驗(yàn)是在水包圍的環(huán)境下進(jìn)行的。水的折射率大約1.33,生物分子折射率為1.451.48。通過固定把第一個(gè)分子固定在

15、表面,然后把第二個(gè)分子浸潤在PCF 中,就可以根據(jù)兩個(gè)分子的相似性來測量第二個(gè)分子。通過沖洗,未固定的分子則被沖洗掉,被固定的分子將在表面增加一層厚度。根據(jù)應(yīng)用需要,這層厚度一般為l10nln。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先測量已經(jīng)寫入PCFLPG的諧振波長k。然后在PCF空氣孔中用磷酸鹽和氯化鈉去離子水沖洗30min,測量其諧振波長入髑。再在PCF空氣孔中用多聚左旋賴氨酸(polyLlysine溶液沖洗30min,這樣polyLlysine生物分子層就被固定在PCF空氣孔中了,測量其諧振波長入HL,此時(shí)測量的諧振波長人HL就是實(shí)驗(yàn)所需記錄的數(shù)據(jù),也即p01yL一專題報(bào)道I光纖傳感l(wèi)ysine生物分子層的厚度所對(duì)

16、應(yīng)的諧振波長。對(duì)于雙螺旋結(jié)構(gòu)的生物大分子DNA,采取同樣的方法也可得到其諧振波長A咪。實(shí)驗(yàn)生成的樣品結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。圖4實(shí)驗(yàn)制備樣品示意圖在此實(shí)驗(yàn)中測得溫度變化對(duì)諧振波長漂移影響很小,大約2pm/。C,可以忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)測得空氣中和注入PBS的諧振波長分別為k=753.6nitl,人PBs= 842.5nin,即諧振波長漂移量為At=88.9nlii。且注入polyLlysine生物大分子成層后諧振波長為APLL-849.2nin,即諧振波長漂移量為.L1=6.7hill。同時(shí)引入圖5分別用PBS,PLL。DNA溶液沖洗后的PCFLPG諧振波長變化中國光學(xué)期刊網(wǎng):ww, 37萬方數(shù)據(jù) 萬

17、方數(shù)據(jù) 萬方數(shù)據(jù) 萬方數(shù)據(jù) 光子晶體光纖光柵在生物和化學(xué)傳感器領(lǐng)域研究進(jìn)展作者:羅濤, 顧錚(先, Luo Tao, Gu Zhengtian作者單位:上海理工大學(xué),理學(xué)院,光電功能薄膜實(shí)驗(yàn)室,上海,200093刊名: 激光與光電子學(xué)進(jìn)展英文刊名:LASER & OPTOELECTRONICS PROGRESS年,卷(期:2009,46(11參考文獻(xiàn)(43條1.范世福光纖化學(xué)和生化傳感技術(shù) 1997(042.徐艷平;顧錚(先;陳家璧長周期光纖光柵化學(xué)傳感器研究進(jìn)展期刊論文-傳感器技術(shù) 2005(243.K T V Grattan;T Sun Fiber optic sensor tec

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