Abstract
A miniature surface plasmon resonance sensor is fabricated from a gold-coated standard optical fiber with an in-core tilted fiber Bragg grating fabricated by UV exposure. The sensor has a measured refractive index sensitivity of 571.5 nm/RIU (refractive index unit) at constant temperature. We show here that the intrinsic temperature sensitivity of this device is reduced to less than 6.3 pm/°C (between 23 °C and 59 °C) when measurements are referenced to a core mode reflection resonance of the grating. This residual sensitivity is essentially that of the 50 nm thick deposited gold layer but it is bigger by one order of magnitude than the expected value (0.51 pm/°C) for a gold-water interface
چکیده
یک سنسور رزونانس پلاسمون سطحی مینیاتوری از یک فیبر نوری استاندارد لایه نشانی شده با طلا با یک توری براگ فیبر نوری با مغزی مورب که با پرتودهی نور فرابنفش ایجاد شده، ساخته می شود. این سنسور حساسیت ضریب شکستی برابر 571.5 nm/RIU در دمای ثابت دارد. ما در اینجا نشان می دهیم که وقتی که اندازه گیری ها برای یک رزونانس بازتابش مد هسته ای توری باشد ، دمای ذاتی این دستگاه به کمتر از 6.3 pm/°C (بین 23 °C و 59 °C) کاهش می یابد. این حساسیت جزئی لزوما برای لایه طلا با ضخامت 50 nm است ولی یک مرتبه بزرگتر از مقدار انتظاری آن برای یک سطح مشترک طلا- آب است (0.51 pm/°C).
1-مقدمه
سنسورهای رزونانس پلاسمون سطح (SPR) بطور گسترده در اندازه گیری های مربوط به ضریب شکست (از جمله دریافت بیوشیمیایی بدون برچسب) به دلیل حساسیت بسیار بالا و نیز قابلیت آشکارسازی آنلاین شان مورد استفاده بوده اند. اغلب سنسورهای SPR با استفاده از متغیرهای هندسه اولیه کرچمان-راتر (Kretschmann-Raether) ساخته می شوند، یک رویکرد اپتیک حجمی که از یک منشور شیشه ای با ضریب شکست بالا به همراه یک لایه فلزی نازک رسوب یافته روی بستر آن استفاده می کند و در فلز از یک موج کاملا بازتابیده به داخل منشور تونل می زند تا امواج پلاسمون را برانگیخته سازد. در این حالت رزونانس های پلاسمون با اندازه گیری یک شیب در طیف بازتابشی بستر منشور به دست می آِیند که با پرتوهایی که همفاز با پلاسمون هستند (یا معادل با آن برای بستگی زاویه ای بازتابش نور تک فام)، متناظر می باشند. با این همه در ابتدا تشخیص داده شد که موجبری نور محدود شده در فیبرهای نوری (همچنین با بازتابش داخلی کلی) می تواند برای پیاده سازی یک فیبر نوری معادل با هندسه منشور با مزایای مشخص برای اندازه و ویژگی های پردازش نور مورد استفاده قرار گیرد. در سال 1993، جورجنسون و یی نخستین سنسور SPR فیبری را درون یک فیبر نوری چند مدی بدون روکش و جایگزین شده با لایه فلزی در ناحیه حسگر ارائه کردند. برای مورد فیبر، رزونانس پلاسمون نیز با یک شیب در طیف گذار نور هدایت شده شناسایی می شود. این پیکربندی استانداردی برای بهترین سنسورهای SPR فیبر نوری شد و امروز هنوز مورد استفاده است. در کار ما از رویکرد کمی متفاوت استفاده می کنیم که بر اساس برانگیختگی کنترل شده ی مدهای روکش (دومین لایه فیبر نوری) مربوط به یک فیبر تک مدی با یک توری براگ شیبدار در هسته فیبر است. در مقابل سنسورهای آزمایش قبلی یا سنسورهای SPR فیبری به کمک توری، رویکرد ما به هندسه های فیبری سفارشی نیاز ندارد (با طراحی یا اصلاحات بعد از ساخت نظیر صیقل دادن کناره یا قلم زنی). بعلاوه ما اخیرا نشان دادیم که با همخط کردن قطبش نور وارد شده در فیبر با صفحه شیبدار توری، می توانیم تنها آن مدهایی از روکش را برانگیخته کنیم که قطبش مناسب (شعاعی) را دارند که مدهای پلاسمون سطح خارجی روکش استوانه ای با لایه فلزی را جفت می کنند. یک مزیت رویکرد فیبر تک مدی (نسبت به پیاده سازی های فیبر چند مدی متداول) در این حقیقت قرار می گیرد که توزیع طیفی نور هدایت شده در مجموعه بزرگ مدهای روکش کاملا با مشخصه های تک مد معلوم هسته و نیز مشخصات توری مورد استفاده تعیین می شود. در یک SPR فیبری چند مدی، یک مخلوط کننده مد لازم است تا بتوان یک توزیع سازگار نور را در میان همه مدها به دست آورد. مزیت دیگر پیکربندی تک مدی به کمک توری، امکان پرداختن به حسایت مابینی گرمایی رزونانس ها است. در اصل، همه سنسورهای SPR فیبری دچار همین وضع خطرناک مانند معادل های اپتیکی حجیم خود هستند (حساسیت به دما). این اثر نشان دهنده مسئله بزرگی برای کاربردهای حساسیت بالا است و به طرح های پایدارسازی دمایی پیچیده در دستگاه های تجاری می پردازد. در کار گزارش شده در اینجا، حساسیت دمایی مربوط به سنسور SPR توری براگ فیبری شیبدار اخیرا ساخته شده توط ما بطور مفصل بررسی می شود و نشان داده می شود که تا چند pm در هر درجه سلسیوس قابل کاهش است...