第10讲+波长调制型光纤传感器-1
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光纤传感器介绍48页PPT
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
光纤传感器介绍
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
56、书不仅是生活ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
光纤传感器介绍
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
56、书不仅是生活ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
相位调制型光纤传感器PPT优秀课件
它与一般法布里—珀罗干涉仪的区别在于以光纤
光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位
代替以传感器控制反射镜移动实现调相。
Fabry-Perot干涉仪
➢
反射率越大，干涉光强变化越明显，分辨
率越高。它是能用于现代科学的最灵敏的
位移测量装置之一。
谢谢！
个人观点供参考，欢迎讨论
光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：
8A
k0l
l为 两 相 干 光 的 光 程 差
0c
Sagnac干涉仪
Ø通过检测干涉条纹的变化，就知道旋转速度
萨格纳克效应是目前许多惯性导航系统所用的环
形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。
Sagnac干涉仪实际应用：
Ø光纤陀螺仪
机械应
力作用
➢
应力应变效应
✓
应变效应：光纤长度变化
✓
光弹效应：光纤纤芯折射率变化
✓
泊松效应：光纤纤芯直径变化
➢
温度应变效应：光纤长度变化以及折射率
变化
温度
应力应变效应
应变效应
光纤长度变化引起
的相位延迟
光弹效应
感应折射率变化引
起的相位延迟
泊松效应
光纤的半径改变
引起的相位延迟
实现纵向、径向应变最简便的方法
❖ 振动方向相同
❖ 频率相同
❖ 两个补充条件
❖ 振幅差不悬殊
❖ 光程差要小于波列长度
光纤干涉仪的一般系统结构
L—激光器；P1—分束器；P2—耦合器；D—检测器
典型干涉测量仪与光纤干涉传感器
迈克尔逊(Michelson)干涉仪
常
用
干
涉
光纤传感器ppt讲解可修改文字
NA n12 n22
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片 受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化， 从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片 受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化， 从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
光纤传感器
(0 Z L ) (Z 0,Z L )
(6)
上式中 L 是光纤产生微弯的区域，A 为其弯曲幅度， 为空间频率，设光 纤微弯变形函数的微弯周期为 ，则有 2 / 。光纤由于弯曲产生的光能 损耗系数是：
A 2 L sin[( c )L / 2] sin[( c )L / 2] { } 4 ( c )L / 2 ( c )L / 2
3
(2)
(2)式中 ( z ) a 0 [1 ( z / a 0 ) 2 ] ，这里，S 为接收光面，即纤芯端面。 在纤端出射光场的远场区， 为简便计算，可用接收光纤端面中心点处的光强
赵伟 郑虹
来作为整个纤芯面上的平均光强，在这种近似下，得在接收光纤终端所探测到的 光强公式为：
I (r ,z )
赵伟 郑虹
光纤传感实验
光纤的研究和应用是 20 世纪 70 年代末发展起来的一个新的领域。 光纤通信 已经成为现代通信网的主要支柱。光纤通信的发展极为迅速，新的理论和技术不 断产生和发展。传感器是信息技术的三大技术之一。随着信息技术进入新时期， 传感技术也进入了新阶段。 “没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已被 全世界所公认，因此，传感技术受到各国的重视，特别是倍受发达国家的重视， 我国也将传感技术纳入国家重点发展项目。光纤传感器件具有体积小、重量轻、 抗电磁干扰强、防腐性好、灵敏度高等优点；用于测量压力、应变、微小折射率 变化、微振动、微位移等诸多领域。 光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。 功能型光纤传感器是利用 光纤本身的物理特性把光纤作为敏感元件，所以也称为传感型光纤传感器。非功 能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量变化，光纤仅作为传输介质，传 输来自远外或难以接近场所的光信号，所以也称为传光型传感器。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器， 相位调 制光纤传感器， 频率调制光纤传感器，偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光 纤传感器。 光纤传感器按被测对象的不同， 又可分为光纤温度传感器， 光纤位移传感器， 光纤浓度传感器，光纤电流传感器，光纤流速传感器，光纤液位传感器，光纤电 压传感器等。 光纤传感器可以探测的物理量很多，已实现的光纤传感器物理量测量达 70 余种。然而，无论是探测哪种物理量，其工作原理无非都是用被测量的变化调制 传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而 得到被测量。 将光纤和传感器结合一起的光纤传感器是将力热光电等物理基本概 念和原理结合起来的综合实验。
光纤传感器基本原理1
实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的 压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈 光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直 径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光 纤承受到应力，光波相位随之变化。
(2)温度应变效应
若光纤放置在变化的温度场中，并把温度场变化等效 为作用力F时，那么作用力F将同时影响光纤折射率、和 长度L的变化。由F引起光纤中光波相位延迟为
(3)反射系数型
光波在入射界面上的光强分配由菲涅尔公式描述，界面强度 反射系数由菲涅尔反射公式给出
由反射系数的菲涅尔公式知道， 当光波以大于临界面(θc=sin-1n)的θ角 入射到n1、n3介质的界面上时，若n3 介质由于压力或温度的变化引起n3的 微小改变，相应会引起反射系数的变 化，从而导致反射光强的改变，利用 这一原理可以设计出压力或温度传感 器。
二、强度调制机理
强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起 光纤中的传输光光强变化。通过检测光强的变化实现对 待测量的测量，其原理如下图所示。
Pi Pi
P0 P0
强度调制方式很多，大致可分为以下几种:反射式强度 调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸 收系数强度调制等等。一般透射式、反射式和折射率强度 调制称为外调制式，光模式称为内调制式。
(1)光纤折射率变化型
一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定 时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温 度变化时， n2 、 n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因 此，以某一温度时接收到的光强为基准,根据传输功率的变化可 确定温度的变化。
(2)渐逝波耦合型
通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几个波长时．能量就 可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐逝场能以较大的振幅穿 过光疏媒质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量 就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。
相位调制型光纤传感器课件
04
相位调制型光纤传感器的优点 与局限性
优点
抗电磁干扰
高灵敏度
相位调制型光纤传感器利用光的干涉原理 ，不受电磁干扰的影响，适合在强磁场、 高电压等恶劣环境下工作。
由于相位调制型光纤传感器利用光的干涉 效应，其灵敏度较高，能够检测微小的变 化。
结构简单
传输距离远
相位调制型光纤传感器结构简单，易于集 成和实现小型化。
相位调制型光纤传感器课件
目录
• 相位调制型光纤传感器概述 • 相位调制型光纤传感器的基本原理 • 相位调制型光纤传感器的调制方式 • 相位调制型光纤传感器的优点与局限性 • 相位调制型光纤传感器的应用实例 • 相位调制型光纤传感器的发展趋势与展望
01
相位调制型光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
相位调制型光纤传感器是一种利用光纤干涉原理，通过相位 变化检测外界物理量（如温度、压力、振动等）的传感器。
优点
高灵敏度、抗干扰能力强、可在恶劣环境下工作。
03
挑战
对温度、振动等其他环境因素较为敏感，需要进行误差补偿和校准。
温度传感
温度传感
相位调制型光纤传感器能够通过 测量光纤中光的相位变化，实现 对温度的精确测量。这种传感器 在电力、能源、环保等领域有广
泛应用。
优点
高精度、响应速度快、稳定性好 。
挑战
容易受到其他环境因素的影响， 如压力、湿度等，需要进行误差
校正。
折射率传感
折射率传感
相位调制型光纤传感器能够通过测量折射率变化对光纤相 位的影响，实现对折射率的精确测量。这种传感器在生物 医学、化学分析等领域有广泛应用。
优点
高灵敏度、分辨率高、响应速度快。
光纤传感技术课件：强度调制型光纤传感器
12
强度调制型光纤传感器
2. 透射式光桥补偿结构采用分光棱镜耦合的方法， 将一束 通过传感头的入射光分成两束差动光， 实现对光源光功率和 入射光纤损耗的补偿； 将另一束光耦合进两根接收光纤， 实 现对两根接收光纤损耗和探测器响应度的补偿， 成功地设计 出一种双光路、 双探测器的新型光桥补偿结构， 达到较好的 补偿效果。
6
强度调制型光纤传感器
3.2.1
1. 光桥平衡法是基于具有两个输入和两个输出的四端网络传 感头结构， 两个输入端分别接两个相同的发光二极管光源， 两个输出端分别接两个相同的光电探测器， 两个发光二极管 光源采用时分调制或频率划分调制工作方式。 1985年由英国 CulShaw首先提出的光桥补偿结构如图3-2所示。
23
强度调制型光纤传感器
图3-5 采用反射式光桥补偿结构的测量精度
24
强度调制型光纤传感器
图3-6 采用反射式光桥补偿结构的长期稳定性
25
强度调制型光纤传感器
光桥平衡补偿法是保证强度调制型光纤传感系统稳定可靠 工作的有效途径之一。 本节对其进行了较详细的分析， 介绍 了透射式和反射式两种光桥补偿结构。 反射式光桥补偿结构 存在突出优点： 一是采用单光源分时发光的工作方式， 弥补 了双光源发光特性不一致造成的不利影响； 二是传感探头采 用反射式补偿光路， 不仅结构简单、 紧凑， 而且使传感系统 的灵敏度提高了一倍； 三是分时工作的两路光都通过传感探 头部分， 从而系统输出不仅对光源发光功率的波动、 光纤传 输损耗的变化和光电探测器响应度漂移因素进行了补偿， 同 时对传感探头分光棱镜分光比、 光学元件传输损耗的变化也 进行了补偿。
18
强度调制型光纤传感器
3. 为了进一步提高系统的稳定性， 简化系统的结构， 减小 传感头的体积， 降低造价， 使系统更趋于实用化， 人们又设 计出了一种反射式光桥补偿结构， 该结构如图3-4所示。
强度调制型光纤传感器
2. 透射式光桥补偿结构采用分光棱镜耦合的方法， 将一束 通过传感头的入射光分成两束差动光， 实现对光源光功率和 入射光纤损耗的补偿； 将另一束光耦合进两根接收光纤， 实 现对两根接收光纤损耗和探测器响应度的补偿， 成功地设计 出一种双光路、 双探测器的新型光桥补偿结构， 达到较好的 补偿效果。
6
强度调制型光纤传感器
3.2.1
1. 光桥平衡法是基于具有两个输入和两个输出的四端网络传 感头结构， 两个输入端分别接两个相同的发光二极管光源， 两个输出端分别接两个相同的光电探测器， 两个发光二极管 光源采用时分调制或频率划分调制工作方式。 1985年由英国 CulShaw首先提出的光桥补偿结构如图3-2所示。
23
强度调制型光纤传感器
图3-5 采用反射式光桥补偿结构的测量精度
24
强度调制型光纤传感器
图3-6 采用反射式光桥补偿结构的长期稳定性
25
强度调制型光纤传感器
光桥平衡补偿法是保证强度调制型光纤传感系统稳定可靠 工作的有效途径之一。 本节对其进行了较详细的分析， 介绍 了透射式和反射式两种光桥补偿结构。 反射式光桥补偿结构 存在突出优点： 一是采用单光源分时发光的工作方式， 弥补 了双光源发光特性不一致造成的不利影响； 二是传感探头采 用反射式补偿光路， 不仅结构简单、 紧凑， 而且使传感系统 的灵敏度提高了一倍； 三是分时工作的两路光都通过传感探 头部分， 从而系统输出不仅对光源发光功率的波动、 光纤传 输损耗的变化和光电探测器响应度漂移因素进行了补偿， 同 时对传感探头分光棱镜分光比、 光学元件传输损耗的变化也 进行了补偿。
18
强度调制型光纤传感器
3. 为了进一步提高系统的稳定性， 简化系统的结构， 减小 传感头的体积， 降低造价， 使系统更趋于实用化， 人们又设 计出了一种反射式光桥补偿结构， 该结构如图3-4所示。
《光纤传感器 》课件
通过化学气相沉积等方法 制备出光纤预制棒，作为 光纤制造的原材料。
拉丝工艺
将光纤预制棒加热软化后 ，通过拉丝机拉制成连续 的光纤。
涂覆与保护
在拉制出的光纤表面涂覆 一层保护涂层，以提高光 纤的机械强度和耐腐蚀性 。
光纤传感器的封装工艺
光纤光栅封装
光纤传感器的密封与保护
将光纤光栅粘贴在特定的封装基底上 ，并使用环氧树脂等材料进行固定和 保护。
光纤传感器的应用领域。
光纤传感器的小型化与集成化
总结词
光纤传感器正朝着小型化与集成化的方向发展，以满 足现代科技领域对传感器尺寸和集成度的要求。
详细描述
随着微纳加工技术和光子集成技术的不断发展，光纤 传感器的小型化与集成化成为可能。小型化的光纤传 感器具有更小的体积和更高的可靠性，集成化的光纤 传感器则能够实现多个传感功能的集成，提高系统的 集成度和智能化程度。
光纤传感器的优点与局限性
优点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可 在恶劣环境下工作、可远程测量等。
局限性
对温度、压力、位移等物理量的测量 可能会受到其他因素的干扰，如弯曲 、振动等；同时，光纤传感器成本较 高，限制了其在某些领域的应用。
03
CHAPTER
光纤传感器的制造工艺
光纤的制备
01
02
03
预制棒制备
光纤传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的制造工艺 • 光纤传感器在各领域的应用 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 案例分析：光纤传感器在石油工业中的应用
01
CHAPTER
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检 测和测量物理量（如温度、压力、位移等）的变化。
拉丝工艺
将光纤预制棒加热软化后 ，通过拉丝机拉制成连续 的光纤。
涂覆与保护
在拉制出的光纤表面涂覆 一层保护涂层，以提高光 纤的机械强度和耐腐蚀性 。
光纤传感器的封装工艺
光纤光栅封装
光纤传感器的密封与保护
将光纤光栅粘贴在特定的封装基底上 ，并使用环氧树脂等材料进行固定和 保护。
光纤传感器的应用领域。
光纤传感器的小型化与集成化
总结词
光纤传感器正朝着小型化与集成化的方向发展，以满 足现代科技领域对传感器尺寸和集成度的要求。
详细描述
随着微纳加工技术和光子集成技术的不断发展，光纤 传感器的小型化与集成化成为可能。小型化的光纤传 感器具有更小的体积和更高的可靠性，集成化的光纤 传感器则能够实现多个传感功能的集成，提高系统的 集成度和智能化程度。
光纤传感器的优点与局限性
优点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可 在恶劣环境下工作、可远程测量等。
局限性
对温度、压力、位移等物理量的测量 可能会受到其他因素的干扰，如弯曲 、振动等；同时，光纤传感器成本较 高，限制了其在某些领域的应用。
03
CHAPTER
光纤传感器的制造工艺
光纤的制备
01
02
03
预制棒制备
光纤传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的制造工艺 • 光纤传感器在各领域的应用 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 案例分析：光纤传感器在石油工业中的应用
01
CHAPTER
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检 测和测量物理量（如温度、压力、位移等）的变化。
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1 2 d m = c 1 2 c d m
SPP dispersion
金属在光频ε <0 n n in n 0，n 0 金属中电场: EE0 exp(n''k0 r), 趋肤深度δ = c/(n''ω)
δ：当振幅下降为1/e时，波传播的距离
• 在低频ω: εm→−∞
• 激发SPW, 入射光波矢应满足:
β
kxinc= β
(相位匹配条件)
介质
k xinc kinc sin d
c
sin
金属
11
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
12
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
3
-光纤pH值传感器
-光纤磷光传感器 -光纤黑体温度计
3
1
2015/4/16
光纤Bragg光栅(FBG)
nc ncl – 优点： λB
光纤Bragg光栅(FBG)传感器
B 2neff eff B 2neff 2neff
弹性变形 • 对于各向同性圆柱体－ • 几点假设： 弹光效应
B 2ncore eff
r , ,
横向应力
z
纵向应力
• 抗干扰能力强，稳定、可靠 • 传感头结构简单、体积小
– 光栅自身结构－纤芯+包层，忽略所有外包层的影响； – 石英光纤－理想弹性体，遵循胡克定律，且内部不存在切应变； – 紫外引起的光敏折射率变化在横截面上分布均匀，且不影响光 纤的各向同性特性；
SPPmetal-air SPPmetal-prism
kx,2 SPP
E2 E20 exp[i(k2 r t )] E20e z exp[i(k2 x x t )]
全反射情况下，入射波的能量是穿透介质2内一 定深度后逐渐反射的，到达空气和金属界面。
1. 什么是等离子体?
bound electron free electron 物质的状态: • 固体 • 液体 • 气体 • 等离子体 – 具有自由电荷 的热电离气体 温度
00C
B 2neff
应变测量
B K
温度测量
B KT T
电离
1000C
100000C
• 灵敏度：1 1pm • 测量范围：1％ • 频率响应：可达1MHz
原理:
• SPR对表面敏感 •抗体附着在金表面
– 实时监测 – 免标记
– DNA 与蛋白质相互作用分析，此前一直没有简便快捷的方法； – 实时监测DNA 分子间的相互作用：SPR不仅可用于研究蛋白质- 蛋白质, 蛋白 质-DNA 之间的相互作用, 也可用于研究核酸间的相互作用,实时追踪核酸反应 的全过程,包括基因装配、DNA 合成延伸、DNA 的特异切割。 – 药物筛选及鉴定；药物筛选是SPR 技术的另一个应用热点。
2015/4/16
SPW的激发方式——Otto结构
•在棱镜中, 通过全内反射(TIR)产生倏逝波
E2 E20 exp[i(k2 x x k2 z z )]eit
2 2 k2 z k2 k2 x
SPW激发方式——Kretschmann结构
k’1
k1 i1 i’1
结构：直接在全内反射表面镀一层几十nm厚的金属，倏逝波透过金属薄 膜达到空气和金属界面, 在金属膜外侧界面处发生表面等离子体子共振。
包层 纤芯 包层 纤芯
反射率高 化学稳定性好: 膜的厚度：50-100nm
金属膜 分子敏感膜 金属全反射膜
Au 膜和Ag 膜是SPR 中最常用的两种金属薄膜
光纤终端反射式
光纤在线传输式
分子敏感膜
为了扩大光纤SPR应用范围，通常在金属膜上再沉积一层化学或生物 敏感膜, 成膜方法： 金属膜直接吸附法
• 测量重复性好
• 可实现绝对测量 • 便于规模生产、成网
– 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
5
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
– 所有应力均为静应力，不考虑随时间变化
6
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
波长调制机理
布喇格波长
光纤SPR(Surface plasmon resonance)传感器
c
sin k x， 2 = d 2
sin
c
2 k1 sin 2 ic sin 2 i1 sin 2 ic sin 2 i1 1 当i1 ic，发生全内反射，k2 z为纯虚数，令k2 z i
2
1 棱镜 金属介质 Otto结构
kx,2 k2
εd2
sp,2
• 灵敏度：1C 10pm • 测量范围：200 C
7
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
8
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
2
2015/4/16
光纤SPR传感器
固体、液体、气体通常温度过低，密度过大，导致没有等离子体存在。 等离子体:物质的第4种状态 不同于普通的中性气体: 与电磁场产生强的相互作用 金属性质:自由电子+离子 电离
x
由边界条件，折射波的表达式
n1>n2
n1
n2
2 1 2
n1 k12 k12x
2
i2 n2 z k2
当SPP = kx,2强烈的耦合 相位匹配
SPP
能量匹配
n2
n1 k k sin i1 k1
2 2 1
n2
n1 sin i1
2 2
εd1
εm
sp,1
k x， 1= d1
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院 17
光谱的检测在光纤输出端。
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应用举例: 生物传感器
用于监测生物分子：蛋白，配位体，DNA，等。
• 其它信息，如：
SPR传感器的实际应用
SPR传感器可获取紧靠在金属薄膜表面介质层的光学常数, 从而进一步得到介质的 – 由膜厚估计成膜物质的结构排列； – 由介质的折射率、膜厚度、吸收系数计算吸附物质的质量, 进而求得相互作用 的生物大分子之间键的参数； • 主要用于生物科学和生命科学领域： – 抗原- 抗体反应测定：用于免疫分析，选择不同抗体用于治疗、检测、诊断。 – 蛋白质相互作用分析；
光声光谱气体检测技术原理
光源周期性调制温度压力信号的周期性变化 • 如果气体密闭于光声腔中,激励光源受到谐振频率ω的调制,那么加热过程 将周期地变化。根据气体热力学定律,周期性的温度变化将产生同周期的
压力信号。
• 假设光声腔为圆柱形结构,光强度的调制频率等于光声腔的某一阶谐振频 率ωj,则光声信号振幅表达式可以表示为 • 气体的光声效应：强度周期性变化的激光光束入射到装有样品气体的密 封光声池中，根据分子光谱理论，每种气体有着自己特定的吸收波谱， 选择调制光源的波长从而使得特定气体产生较大吸收，通过非辐射弛豫 方式使吸收的光能转变为热 ,对外产生应力的周期性变化，即向外辐射 声波。 • 光声效应源自气体分子无辐射跃迁气体光声检测主要在红外波段进行 。 23
调制检测方法：
m s Re c m s
入射角固定,光纤SPR传感器多为 波长扫描调制型 透射光强最小波长样品折射率
由snell定律确定的反射系数r为波长和 入射角的函数也可表征折射率变化
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金属膜
光纤SPR传感单元结构类型
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引 言 研究生课程
波长(颜色)调制利用外界因素改变光纤中光的波长分布，通过检测 光谱分布测量被测参数。 引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化的物理量包括：荧光、 磷光、黑体辐射和吸收等－大多数为非功能型。
光纤传感器
第10讲:波长调制型光纤传感器
外界因素： 温度，压力，电 磁场，位移
光纤SPR传感机理
组成结构：在纤芯的表面上镀一层金属膜，纤芯—金属—环境介质的三 层结构组成SPR测量的敏感器件——光纤SPR传感器。 共 振 匹 配 条 件
k z k spp kz k spp
: 光波的角频率；
c
core sin 0
core: 纤芯的介电常数； 0：入射角； m: 金膜的介电常数； s: 待测介质的介电常数
– 荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型 – 光纤光栅－功能型
• 光纤光栅～反射镜 • 应用领域－通信、传感、信息处理
– 光通信器件 • 半导体激光器、光纤激光器 • 光纤放大器、滤波器 • 波分复用/解复用器 • 色散补偿 – 传感 – 光学信息补偿－光学Fourier变换、相位阵列天线
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SPR的缺点
难以区分非特异性吸附 对温度、样品组成等干扰因素敏感
当照射在样品上的入射光按波长扫描时，可得物质在不 同波长下的光声信号谱，光声信号谱可作为物质定性分析 的依据；固定波长得到的光声信号可作为定量分析的依据。
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金属包层平板介质波导
• • 用于集成光学器件，介质波导中沉积金属膜或在金属膜基底上沉积介质波导层 金属对光频有强力的衰减作用，电磁场仅在很薄的层内以衰减场形式存在；
等离子体表面波及存在的条件
• SPW存在条件： 1) SPW一定是TM波（ P偏振光）； 2) 只存在于两侧介电常数符号相反的分界面，在光频范围内，金属 和电介质的分界面存在SPW； 3) SPW传播常数：
SPP dispersion
金属在光频ε <0 n n in n 0，n 0 金属中电场: EE0 exp(n''k0 r), 趋肤深度δ = c/(n''ω)
δ：当振幅下降为1/e时，波传播的距离
• 在低频ω: εm→−∞
• 激发SPW, 入射光波矢应满足:
β
kxinc= β
(相位匹配条件)
介质
k xinc kinc sin d
c
sin
金属
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-光纤pH值传感器
-光纤磷光传感器 -光纤黑体温度计
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光纤Bragg光栅(FBG)
nc ncl – 优点： λB
光纤Bragg光栅(FBG)传感器
B 2neff eff B 2neff 2neff
弹性变形 • 对于各向同性圆柱体－ • 几点假设： 弹光效应
B 2ncore eff
r , ,
横向应力
z
纵向应力
• 抗干扰能力强，稳定、可靠 • 传感头结构简单、体积小
– 光栅自身结构－纤芯+包层，忽略所有外包层的影响； – 石英光纤－理想弹性体，遵循胡克定律，且内部不存在切应变； – 紫外引起的光敏折射率变化在横截面上分布均匀，且不影响光 纤的各向同性特性；
SPPmetal-air SPPmetal-prism
kx,2 SPP
E2 E20 exp[i(k2 r t )] E20e z exp[i(k2 x x t )]
全反射情况下，入射波的能量是穿透介质2内一 定深度后逐渐反射的，到达空气和金属界面。
1. 什么是等离子体?
bound electron free electron 物质的状态: • 固体 • 液体 • 气体 • 等离子体 – 具有自由电荷 的热电离气体 温度
00C
B 2neff
应变测量
B K
温度测量
B KT T
电离
1000C
100000C
• 灵敏度：1 1pm • 测量范围：1％ • 频率响应：可达1MHz
原理:
• SPR对表面敏感 •抗体附着在金表面
– 实时监测 – 免标记
– DNA 与蛋白质相互作用分析，此前一直没有简便快捷的方法； – 实时监测DNA 分子间的相互作用：SPR不仅可用于研究蛋白质- 蛋白质, 蛋白 质-DNA 之间的相互作用, 也可用于研究核酸间的相互作用,实时追踪核酸反应 的全过程,包括基因装配、DNA 合成延伸、DNA 的特异切割。 – 药物筛选及鉴定；药物筛选是SPR 技术的另一个应用热点。
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SPW的激发方式——Otto结构
•在棱镜中, 通过全内反射(TIR)产生倏逝波
E2 E20 exp[i(k2 x x k2 z z )]eit
2 2 k2 z k2 k2 x
SPW激发方式——Kretschmann结构
k’1
k1 i1 i’1
结构：直接在全内反射表面镀一层几十nm厚的金属，倏逝波透过金属薄 膜达到空气和金属界面, 在金属膜外侧界面处发生表面等离子体子共振。
包层 纤芯 包层 纤芯
反射率高 化学稳定性好: 膜的厚度：50-100nm
金属膜 分子敏感膜 金属全反射膜
Au 膜和Ag 膜是SPR 中最常用的两种金属薄膜
光纤终端反射式
光纤在线传输式
分子敏感膜
为了扩大光纤SPR应用范围，通常在金属膜上再沉积一层化学或生物 敏感膜, 成膜方法： 金属膜直接吸附法
• 测量重复性好
• 可实现绝对测量 • 便于规模生产、成网
– 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
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– 所有应力均为静应力，不考虑随时间变化
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波长调制机理
布喇格波长
光纤SPR(Surface plasmon resonance)传感器
c
sin k x， 2 = d 2
sin
c
2 k1 sin 2 ic sin 2 i1 sin 2 ic sin 2 i1 1 当i1 ic，发生全内反射，k2 z为纯虚数，令k2 z i
2
1 棱镜 金属介质 Otto结构
kx,2 k2
εd2
sp,2
• 灵敏度：1C 10pm • 测量范围：200 C
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光纤SPR传感器
固体、液体、气体通常温度过低，密度过大，导致没有等离子体存在。 等离子体:物质的第4种状态 不同于普通的中性气体: 与电磁场产生强的相互作用 金属性质:自由电子+离子 电离
x
由边界条件，折射波的表达式
n1>n2
n1
n2
2 1 2
n1 k12 k12x
2
i2 n2 z k2
当SPP = kx,2强烈的耦合 相位匹配
SPP
能量匹配
n2
n1 k k sin i1 k1
2 2 1
n2
n1 sin i1
2 2
εd1
εm
sp,1
k x， 1= d1
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应用举例: 生物传感器
用于监测生物分子：蛋白，配位体，DNA，等。
• 其它信息，如：
SPR传感器的实际应用
SPR传感器可获取紧靠在金属薄膜表面介质层的光学常数, 从而进一步得到介质的 – 由膜厚估计成膜物质的结构排列； – 由介质的折射率、膜厚度、吸收系数计算吸附物质的质量, 进而求得相互作用 的生物大分子之间键的参数； • 主要用于生物科学和生命科学领域： – 抗原- 抗体反应测定：用于免疫分析，选择不同抗体用于治疗、检测、诊断。 – 蛋白质相互作用分析；
光声光谱气体检测技术原理
光源周期性调制温度压力信号的周期性变化 • 如果气体密闭于光声腔中,激励光源受到谐振频率ω的调制,那么加热过程 将周期地变化。根据气体热力学定律,周期性的温度变化将产生同周期的
压力信号。
• 假设光声腔为圆柱形结构,光强度的调制频率等于光声腔的某一阶谐振频 率ωj,则光声信号振幅表达式可以表示为 • 气体的光声效应：强度周期性变化的激光光束入射到装有样品气体的密 封光声池中，根据分子光谱理论，每种气体有着自己特定的吸收波谱， 选择调制光源的波长从而使得特定气体产生较大吸收，通过非辐射弛豫 方式使吸收的光能转变为热 ,对外产生应力的周期性变化，即向外辐射 声波。 • 光声效应源自气体分子无辐射跃迁气体光声检测主要在红外波段进行 。 23
调制检测方法：
m s Re c m s
入射角固定,光纤SPR传感器多为 波长扫描调制型 透射光强最小波长样品折射率
由snell定律确定的反射系数r为波长和 入射角的函数也可表征折射率变化
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金属膜
光纤SPR传感单元结构类型
2015/4/16
引 言 研究生课程
波长(颜色)调制利用外界因素改变光纤中光的波长分布，通过检测 光谱分布测量被测参数。 引起波长变化－光谱特性随外界物理量而变化的物理量包括：荧光、 磷光、黑体辐射和吸收等－大多数为非功能型。
光纤传感器
第10讲:波长调制型光纤传感器
外界因素： 温度，压力，电 磁场，位移
光纤SPR传感机理
组成结构：在纤芯的表面上镀一层金属膜，纤芯—金属—环境介质的三 层结构组成SPR测量的敏感器件——光纤SPR传感器。 共 振 匹 配 条 件
k z k spp kz k spp
: 光波的角频率；
c
core sin 0
core: 纤芯的介电常数； 0：入射角； m: 金膜的介电常数； s: 待测介质的介电常数
– 荧光、磷光、黑体辐射等－大多数为非功能型 – 光纤光栅－功能型
• 光纤光栅～反射镜 • 应用领域－通信、传感、信息处理
– 光通信器件 • 半导体激光器、光纤激光器 • 光纤放大器、滤波器 • 波分复用/解复用器 • 色散补偿 – 传感 – 光学信息补偿－光学Fourier变换、相位阵列天线
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中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
SPR的缺点
难以区分非特异性吸附 对温度、样品组成等干扰因素敏感
当照射在样品上的入射光按波长扫描时，可得物质在不 同波长下的光声信号谱，光声信号谱可作为物质定性分析 的依据；固定波长得到的光声信号可作为定量分析的依据。
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中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
21
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
9
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中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
金属包层平板介质波导
• • 用于集成光学器件，介质波导中沉积金属膜或在金属膜基底上沉积介质波导层 金属对光频有强力的衰减作用，电磁场仅在很薄的层内以衰减场形式存在；
等离子体表面波及存在的条件
• SPW存在条件： 1) SPW一定是TM波（ P偏振光）； 2) 只存在于两侧介电常数符号相反的分界面，在光频范围内，金属 和电介质的分界面存在SPW； 3) SPW传播常数：